判断 Java 线程并发的安全性

时间：2021-07-29 16:02
发布：南京达内IT培训机构
来源：企业面试题

如何判断 Java 线程并发的安全性？对于已经学习java到了一定程度的同学有没有碰到过这样的问题呢？当时碰到的时候有没有成功解决呢？用的方法是什么呢？下面让南京java培训机构南京达内培训老师带领小白们认识一下：

在高并发的时代中，如何写出高质量的并发程序一直是一个令人头疼的事情。现在给你一段代码，你如何判断它是否是线程安全的？又如何改进呢？在这里，我们简单介绍一下Java内部是如果保证线程安全的。一切的关键就在：

高效利用并发，同时也必须保证JMM三大特性的有序性。只有保证了有序性，才能在代码正确执行的前提下去求追更高的效率。而这个王牌就是：先行发生原则

如果Java中所有的同步操作都交给synchronized或者volatile来做，那将是很麻烦的。考虑你要写一个并发环境下的程序，你得花费大半的精力来实现并发的线程安全性。而这对于新手来说，几乎是不可能完成的任务。所以Java定义了一些规则，使得Java会自动判断数据是否存在竞争，线程是否安全等。通过这个先行并发原则，Java可以一揽子解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。那么，什么是先行发生呢？

一、先行发生原则

离散数学中曾经定义了“偏序”的概念，在Java中正是使用了这个概念。偏序通俗的来理解就是拓扑结构，一个DAG。如果操作A先行发生于B，那么B将能观察到A所做的所有事情（包括修改变量、发送消息、调用方法等）。这个可以用例子来说明：
1 //线程A 2 i = 1; 3 4 //线程B 5 j = i; 6 7 //线程C 8 i = 2;如果只考虑A和B，并且保证A先行发生于B，那么B的值是多少？答案很显然是1。依据有两个：　　1.根据先行发生的偏序关系，i的值的改变可以被j观察到　　2.在线程C修改i值之前，线程A结束之后没有其他线程会修改i。　　但是如果考虑C线程，很悲桑，j的值会不确定。因为线程B和线程C没有先行发生定义的偏序，意思就是C可以发生在B前，B后的任意位置，如果C发生在A/B之间，那么显然j的值就是2了。所以线程B就不具备多线程安全性。为了解决这种问题，JMM定义了一些”天然的“先行发生关系来保证多线程的安全。假如所有的操作都像A/B定义好了偏序关系，那么并发就不会有任何难度了。但是为了更灵活的使用，Java只对一些场景定了先行发生原则，所以遇到这几个规则范围内的问题，我们就不需要考虑并发的各种问题，Java会自动帮我们解决。所以，以下操作无须任何同步手段就能保证并发的成功：　　1、程序次序规则：一个线程内，代码的执行会按照程序书写的顺序　　2、管程锁定原则：对同一变量的unlock操作先行发生于后来的lock操作　　3、volatile变量规则：对一个volatile的写操作先行发生于后来的读操作　　4、线程启动原则：Thread的start()先行发生于线程内的所有动作　　5、线程终止原则：线程内的所有动作都先行发生于线程的终止检测　　6、线程中断原则：对线程调用interrupt()先行发生于被中断的代码检测到是否有中断发生　7、对象终结原则：一个对象的初始化操作先行发生于finalize()方法　8、传递性：A先行发生于B，B先行发生于C，那么A先行发生于C二、先行发生原则的应用上面我们介绍了先行发生原则，下面我们就用实例来看看，它是如何工作的。考虑这样一段代码：
1 private int value = 0; 2 3 public int getValue() { 4 return this.value; 5 } 6 7 public void setValue(int value) { 8 this.value = value; 9 }

上面是一段再普通不过的getter/setter方法了，现在假设有A/B两个线程。线程A先（时间上的先后）调用了setValue(2)，然后线程B调用了同一个对象的getValue()，那么线程B收到的返回值是多少呢？

那么，我们就用前面介绍的先行发生原则来判断一下：

1.因为A/B不是一个线程，所以无法使用程序次序原则
2.因为没有synchronized，所以不存在lock/unlock操作，无法使用管程锁定原则
3.没有volatile修饰，不能使用volatile变量原则
4.因为是两个独立的线程，所以线程启动、终止、终端原则都不能使用
5.因为不涉及对象的初始化和finalize()，所以无法使用对象终结原则
6.因为根本就没有一个先行发生原则，所以也不能使用传递性

综上所述，我们发生A/B之间不满足所有的先行发生原则。所以A/B线程的操作不是线程安全的。如果想要线程安全，必须通过程序员自己去实现。这里提供2个方法：

1.将getter/setter方法添加synchronized修饰，使之满足管程锁定原则
2.把value定义为volatile，因为setter中对value的修改不依赖value的原值，所以符合volatile的使用场景（一定要符合前提，如果这里方法是value++就肯定不行了），然后套用volatile变量原则就可以保证了

通过上面的例子，我们可以得出一个结论：

时间上先发生的操作是无法保证“先行发生”的。那如果一个操作满足”先行发生“的定义，是否就一定是时间上的先发生呢？很遗憾，这个结论也是不成立的。一个典型的例子就是提到过的指令重排序：
1 //以下操作在同一个线程内执行 2 int i = 1; 3 int j = 2;既然是同一个线程，那么肯定满足程序次序原则。所以int i = 1;先行发生于int j = 2;，但是int j = 2;完全可能被处理器先处理，这并不影响先行发生原则的正确性（我猜测是JVM在满足先行发生原则的基础上，会对某些无关语句进行指令重排序优化），从而我们无法在线程中感知。Java有句话是这样说的就是这个道理：线程内观察指令全部是串行的，而在其他线程观察那个线程，会发现内部程序的执行是杂乱无章的。但JVM会保证结果的正确性　　时间上的先后顺序与先行发生原则之间没有太大的关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不能受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。