6.4变量的线程安全探索

目录介绍

  • 01.如何设计变量安全性
    • 1.1 局部变量保证安全
    • 1.2 线程封闭保证安全
    • 1.3 使用同步保证变量安全
    • 1.4 原子变量保证安全
    • 1.5 使用不可变对象
    • 1.6 避免变量共享可变状态
  • 02.局部变量线程安全
    • 2.1 思考局部变量安全问题
    • 2.2 方法如何被执行
    • 2.3 理解调用栈设计
    • 2.4 局部变量存哪里
    • 2.5 调用栈与线程关系
    • 2.6 没有共享无并发
  • 03.全局变量线程不安全
    • 3.1 全局变量为何不安全
    • 3.2 全局变量存哪里
    • 3.3 全局变量有调用栈吗

01.如何设计变量安全性

1.1 局部变量保证安全

  • 将变量声明为方法内的局部变量，而不是共享的全局变量。
    • 局部变量在每个线程中都有自己的副本，因此不会出现线程安全问题。

1.2 线程封闭保证安全

  • 变量限制在单个线程内部，确保每个线程都只能访问自己的变量副本。
    • 例如，可以将变量作为方法参数传递给线程的run()方法，或者使用ThreadLocal类来存储线程本地变量。

1.3 使用同步保证变量安全

  • 使用synchronized关键字或其他同步机制来保护共享变量的访问。
    • 同步可以确保在同一时间只有一个线程可以访问共享变量，从而避免竞态条件和数据不一致的问题。

1.4 原子变量保证安全

  • 使用java.util.concurrent.atomic包中的原子变量类，如AtomicInteger、AtomicLong等。
    • 原子变量提供了一些原子操作，可以确保对变量的读取和修改是原子的，从而避免竞态条件。

1.5 使用不可变对象

  • 设计不可变的对象，即对象的状态在创建后不能被修改。
    • 不可变对象是线程安全的，因为它们不会发生状态的改变。

1.6 避免变量共享可变状态

  • 尽量避免多个线程共享可变状态的情况。
    • 如果必须共享可变状态，确保对共享状态的访问是同步的或通过其他线程安全的方式进行。

02.局部变量线程安全

2.1 思考局部变量安全问题

  • Java 方法里面的局部变量是否存在并发问题呢？
    • 代码里的 fibonacci() 这个方法，会根据传入的参数 n ，返回 1 到 n 的斐波那契数列，类似这样： 1、1、2、3、5、8、13、21、34……每一项都等于前两项之和。
    • 在这个方法里面，有个局部变量：数组 r 用来保存数列的结果，每次计算完一项，都会更新数组 r 对应位置中的值。
    • 你可以思考这样一个问题，当多个线程调用 fibonacci() 这个方法的时候，数组 r 是否存在数据竞争呢？局部变量不存在数据竞争的!
    public class Test{
    // 返回斐波那契数列
    int[] fibonacci(int n) {
      // 创建结果数组
      int[] r = new int[n];
      // 初始化第一、第二个数
      r[0] = r[1] = 1;  // ①
      // 计算2..n
      for(int i = 2; i < n; i++) {
          r[i] = r[i-2] + r[i-1];
      }
      return r;
    }
}

2.2 方法如何被执行

  • 方法是如何被执行的
    • 例如上面的r【i】 = r【i-2】 + r【i-1】；翻译成 CPU 的指令相对简单，可方法的调用就比较复杂了。
    • 例如下面这三行代码：第 1 行，声明一个 int 变量 a；第 2 行，调用方法 fibonacci(a)；第 3 行，将 b 赋值给 c。
    int a = 7；
int[] b = fibonacci(a);
int[] c = b;
  • 当你调用 fibonacci(a) 的时候，CPU 要先找到方法 fibonacci() 的地址，然后跳转到这个地址去执行代码，最后 CPU 执行完方法 fibonacci() 之后，要能够返回。
    • 首先找到调用方法的下一条语句的地址：也就是int[] c=b;的地址，再跳转到这个地址去执行。
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2.3 理解调用栈设计

  • CPU去哪里找到调用方法的参数和返回地址？
    • 如果你熟悉 CPU 的工作原理，你应该会立刻想到：通过 CPU 的堆栈寄存器。
    • CPU 支持一种栈结构，栈你一定很熟悉了，就像手枪的弹夹，先入后出。因为这个栈是和方法调用相关的，因此经常被称为调用栈。
  • 有三个方法 A、B、C，他们的调用关系是 A->B->C（A 调用 B，B 调用 C），在运行时，会构建出下面这样的调用栈。
    • 每个方法在调用栈里都有自己的独立空间，称为栈帧，每个栈帧里都有对应方法需要的参数和返回地址。
    • 当调用方法时，会创建新的栈帧，并压入调用栈；当方法返回时，对应的栈帧就会被自动弹出。也就是说，栈帧和方法是同生共死的。
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    • 利用栈结构来支持方法调用这个方案非常普遍，以至于 CPU 里内置了栈寄存器。虽然各家编程语言定义的方法千奇百怪，但是方法的内部执行原理却是出奇的一致：都是靠栈结构解决的。

2.4 局部变量存哪里

  • 方法内的局部变量存哪里？
    • 局部变量的作用域是方法内部，也就是说当方法执行完，局部变量就没用了，局部变量应该和方法同生共死。
    • 此时你应该会想到调用栈的栈帧，调用栈的栈帧就是和方法同生共死的，所以局部变量放到调用栈里那儿是相当的合理。
    • 事实上，的确是这样的，局部变量就是放到了调用栈里。
  • 调用栈的结构如下图这样
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    • 基本所有的教材都会告诉你 new 出来的对象是在堆里，局部变量是在栈里，为什么要区分堆和栈。局部变量是和方法同生共死的，一个变量如果想跨越方法的边界，就必须创建在堆里。

2.5 调用栈与线程关系

  • 两个线程可以同时用不同的参数调用相同的方法，那调用栈和线程之间是什么关系呢？
    • 答案是：每个线程都有自己独立的调用栈。因为如果不是这样，那两个线程就互相干扰了。
    • 如下面这幅图所示，线程 A、B、C 每个线程都有自己独立的调用栈。
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  • Java 方法里面的局部变量是否存在并发问题？
    • 现在你应该很清楚了，一点问题都没有。因为每个线程都有自己的调用栈，局部变量保存在线程各自的调用栈里面，不会共享，所以自然也就没有并发问题。
    • 再次重申一遍：没有共享，就没有伤害。

2.6 没有共享无并发

  • 方法里的局部变量，因为不会和其他线程共享，所以没有并发问题
    • 这个思路很好，已经成为解决并发问题的一个重要技术，同时还有个响当当的名字叫做线程封闭。
    • 比较官方的解释是：仅在单线程内访问数据。由于不存在共享，所以即便不同步也不会有并发问题，性能杠杠的。
  • 采用线程封闭技术的案例非常多
    • 例如从数据库连接池里获取的连接 Connection，在 JDBC 规范里并没有要求这个 Connection 必须是线程安全的。
    • 数据库连接池通过线程封闭技术，保证一个 Connection 一旦被一个线程获取之后，在这个线程关闭 Connection 之前的这段时间里，不会再分配给其他线程，从而保证了 Connection 不会有并发问题。

03.全局变量线程不安全

3.1 全局变量为何不安全

  • 全局变量（也称为共享变量）在多线程环境下可能会导致线程安全问题，因此被认为是不安全的。
    • 竞态条件（Race condition）：当多个线程同时访问和修改全局变量时，由于执行顺序的不确定性，可能会导致不可预测的结果。例如，两个线程同时读取并修改全局变量的值，可能会导致数据不一致或丢失更新。
    • 内存可见性（Memory visibility）：在多线程环境中，每个线程都有自己的工作内存，其中包含了对共享变量的本地副本。当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程可能无法立即看到这个修改，因为它们仍然使用自己的本地副本。这可能导致线程之间的数据不一致。
    • 并发修改（Concurrent modification）：如果多个线程同时对全局变量进行修改，可能会导致数据损坏或丢失。例如，一个线程正在修改全局变量的值，而另一个线程正在读取该值，可能会导致读取到不一致的数据。
    • 缺乏同步机制：全局变量通常没有内置的同步机制来保护对其的并发访问。如果没有适当的同步措施，多个线程可能会同时读取和修改全局变量，从而导致线程安全问题。

3.2 全局变量存哪里

  • 全局变量——>静态变量，静态变量是属于类的变量，而不是对象的变量。
    • 它们在类加载时被初始化，并且在整个程序的生命周期内都存在。静态变量可以通过类名直接访问，因此可以在任何地方使用。
    • 静态变量存储在方法区（Method Area）中。
  • 全局变量——>实例变量，实例变量是属于对象的变量，每个对象都有自己的实例变量副本。
    • 它们在对象创建时被初始化，并且在对象的生命周期内存在。
    • 实例变量存储在堆内存（Heap）中。
  • 全局变量——>常量，常量是在程序中声明的不可变的变量，其值在声明时被初始化，并且在整个程序的生命周期内保持不变。
    • 常量通常使用final关键字进行声明，并且在编译时被存储在常量池（Constant Pool）中。

3.3 全局变量有调用栈吗

  • 调用栈是用于跟踪方法调用和方法执行的一种数据结构。
    • 每当一个方法被调用时，会在调用栈中创建一个新的栈帧（Stack Frame），用于存储方法的局部变量、方法参数和返回地址等信息。
    • 当方法执行完毕后，对应的栈帧会被弹出，恢复到上一个方法的执行状态。
  • 全局变量不会存储在调用栈中
    • 因为全局变量不是方法的局部变量，而是属于类的变量。全局变量在类加载时被初始化，并且在整个程序的生命周期内都存在，无需依赖方法的调用和执行。
  • 每个线程都有自己的调用栈，用于跟踪线程的方法调用和执行
    • 全局变量在多线程环境下可以被多个线程同时访问，但它们的值在不同线程之间是共享的。
    • 因此，在多线程环境下，对全局变量的访问需要考虑线程安全性和同步机制，以避免竞态条件和数据不一致的问题。
贡献者: yangchong211