JAVA中的线程安全与非线程安全

2022-10-08 16:38:54

线程安全就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问直到该线程读取完，其他线程才可使用。不会出现数据不一致或者数据污染。

线程不安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据

ArrayList和Vector有什么区别？HashMap和HashTable有什么区别？StringBuilder和StringBuffer有什么区别？这些都是Java面试中常见的基础问题。面对这样的问题，回答是：ArrayList是非线程安全的，Vector是线程安全的；HashMap是非线程安全的，HashTable是线程安全的；StringBuilder是非线程安全的，StringBuffer是线程安全的。因为这是昨晚刚背的《Java面试题大全》上面写的。此时如果继续问：什么是线程安全？线程安全和非线程安全有什么区别？分别在什么情况下使用？这样一连串的问题，一口老血就喷出来了…

非线程安全的现象模拟

这里就使用ArrayList和Vector二者来说明。

下面的代码，在主线程中new了一个非线程安全的ArrayList，然后开1000个线程分别向这个ArrayList里面添加元素，每个线程添加100个元素，等所有线程执行完成后，这个ArrayList的size应该是多少？应该是100000个？

public class Main
{
    public static void main(String[] args)
    {
        // 进行10次测试
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            test();
        }
    }

    public static void test()
    {
        // 用来测试的List
        List<Object> list = new ArrayList<Object>();

        // 线程数量(1000)
        int threadCount = 1000;

        // 用来让主线程等待threadCount个子线程执行完毕
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);

        // 启动threadCount个子线程
        for(int i = 0; i < threadCount; i++)
        {
            Thread thread = new Thread(new MyThread(list, countDownLatch));
            thread.start();
        }

        try
        {
            // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行
            countDownLatch.await();
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }

        // List的size
        System.out.println(list.size());
    }
}

class MyThread implements Runnable
{
    private List<Object> list;

    private CountDownLatch countDownLatch;

    public MyThread(List<Object> list, CountDownLatch countDownLatch)
    {
        this.list = list;
        this.countDownLatch = countDownLatch;
    }

    public void run()
    {
        // 每个线程向List中添加100个元素
        for(int i = 0; i < 100; i++)
        {
            list.add(new Object());
        }

        // 完成一个子线程
        countDownLatch.countDown();
    }
}

上面进行了10次测试（为什么要测试10次？因为非线程安全并不是每次都会导致问题）。
输出结果：

99946

100000

99998

99959

100000

99975

100000

99996

上面的输出结果发现，并不是每次测试结果都是100000，有好几次测试最后ArrayList的size小于100000，甚至时不时会抛出个IndexOutOfBoundsException异常。（如果没有这个现象可以多试几次）
这就是非线程安全带来的问题了。上面的代码如果用于生产环境，就会有隐患就会有BUG了。

再用线程安全的Vector来进行测试，上面代码改变一处，test()方法中
List<Object> list = new ArrayList<Object>();
改为
List<Object> list = new Vector<Object>();

再运行程序。

输出结果：

100000

再多跑几次，发现都是100000，没有任何问题。因为Vector是线程安全的，在多线程操作同一个Vector对象时，不会有任何问题。

再换成LinkedList试试，同样还会出现ArrayList类似的问题，因为LinkedList也是非线程安全的。

二者如何取舍

非线程安全是指多线程操作同一个对象可能会出现问题。而线程安全则是多线程操作同一个对象不会有问题。

线程安全必须要使用很多synchronized关键字来同步控制，所以必然会导致性能的降低。

所以在使用的时候，如果是多个线程操作同一个对象，那么使用线程安全的Vector；否则，就使用效率更高的ArrayList。

非线程安全!=不安全

有人在使用过程中有一个不正确的观点：我的程序是多线程的，不能使用ArrayList要使用Vector，这样才安全。

非线程安全并不是多线程环境下就不能使用。注意我上面有说到：多线程操作同一个对象。注意是同一个对象。比如最上面那个模拟，就是在主线程中new的一个ArrayList然后多个线程操作同一个ArrayList对象。

如果是每个线程中new一个ArrayList，而这个ArrayList只在这一个线程中使用，那么肯定是没问题的。

线程安全的实现

线程安全是通过线程同步控制来实现的，也就是synchronized关键字。

在这里，我用代码分别实现了一个非线程安全的计数器和线程安全的计数器Counter，并对他们分别进行了多线程测试。

非线程安全的计数器：

public class Main
{
    public static void main(String[] args)
    {
        // 进行10次测试
        for(int i = 0; i < 10; i++)
        {
            test();
        }
    }

    public static void test()
    {
        // 计数器
        Counter counter = new Counter();

        // 线程数量(1000)
        int threadCount = 1000;

        // 用来让主线程等待threadCount个子线程执行完毕
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);

        // 启动threadCount个子线程
        for(int i = 0; i < threadCount; i++)
        {
            Thread thread = new Thread(new MyThread(counter, countDownLatch));
            thread.start();
        }

        try
        {
            // 主线程等待所有子线程执行完成，再向下执行
            countDownLatch.await();
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }

        // 计数器的值
        System.out.println(counter.getCount());
    }
}

class MyThread implements Runnable
{
    private Counter counter;

    private CountDownLatch countDownLatch;

    public MyThread(Counter counter, CountDownLatch countDownLatch)
    {
        this.counter = counter;
        this.countDownLatch = countDownLatch;
    }

    public void run()
    {
        // 每个线程向Counter中进行10000次累加
        for(int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            counter.addCount();
        }

        // 完成一个子线程
        countDownLatch.countDown();
    }
}

class Counter
{
    private int count = 0;

    public int getCount()
    {
        return count;
    }

    public void addCount()
    {
        count++;
    }
}

上面的测试代码中，开启1000个线程，每个线程对计数器进行10000次累加，最终输出结果应该是10000000。

但是上面代码中的Counter未进行同步控制，所以非线程安全。

输出结果：

9963727

9973178

9999577

9987650

9988734

9988665

9987820

9990847

9992305

9972233

稍加修改，把Counter改成线程安全的计数器：

class Counter
{
    private int count = 0;

    public int getCount()
    {
        return count;
    }

    public synchronized void addCount()
    {
        count++;
    }
}

上面只是在addCount()方法中加上了synchronized同步控制，就成为一个线程安全的计数器了。再执行程序。

输出结果：

10000000

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我们都知道，ArrayList是一个线程不安全的容器。如果在多线程中使用ArrayList，可能会导致程序出错。究竟可能引起哪些问题呢？试看下面的代码：

[插图]上述代码中，t1和t2两个线程同时向一个ArrayList中添加容器。它们各添加100万个元素，因此我们期望最后可以有200万个元素在ArrayList中。

但如果执行这段代码，则可能得到三种结果。第一，程序正常结束，ArrayList的最终大小确实200万。这说明即使并行程序有问题，也未必会每次都表现出来。

第二，程序抛出异常。

[插图]这是因为ArrayList在扩容过程中，内部一致性被破坏，但由于没有锁的保护，另外一个线程访问到了不一致的内部状态，导致出现越界问题。

第三，出现了一个非常隐蔽的错误，比如打印如下值作为ArrayList的大小。[

插图]这是由于多线程访问冲突，使得保存容器大小的变量被多线程不正常的访问，同时两个线程也对ArrayList中的同一个位置进行赋值导致的。如果出现这种问题，那么很不幸，你就得到了一个没有错误提示的错误。并且，它们未必是可以复现的。注意：改进的方法很简单，使用线程安全的Vector代替ArrayList即可。

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