什么是线程安全？

1年前 (2023) 程序员胖胖胖虎阿

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线程安全

“线程安全”的定义：

当多个线程同时访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那就称这个对象时线程安全的。

该定义要求线程安全的代码都必须具备一个共同特征：
代码本身封装了所有必要的正确性保障手段（如互斥同步等），令调用者无须关心多线程下的调用问题，更无须自己实现任何措施来保证多线程环境下的正确调用。

java语言中的线程安全

线程安全，将以多个线程之间存在共享数据访问为前提。为了更深入地理解线程安全，我们不把线程安全当作一个非真即假的二元排他选项来看待，而是按照线程安全的“安全程度”由强至弱来排序，可以将java语言中各种操作共享的数据分为以下五类：

不可变
绝对线程安全
相对线程安全
线程兼容
线程对立

不可变

在java语言里（JDK5之后），不可变（Immutable）的对象一定是线程安全的，无论是对象的方法实现还是方法的调用者，都不需要再进行任何线程安全保障措施。

“final关键字带来的可见性”提到过：只要一个不可变的对象被正确的构建出来（即没有发生this引用逃逸的情况），那其外部的可见状态永远都不会改变，永远都不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。“不可变”带来的安全性是最直接，最纯粹的。

java语言中，如果多线程共享数据分为两类：

基本数据类型，只要在定义时使用final关键字修饰它就可以保证它是不可变的。
对象类型，需要对象自行保证其行为不会对其状态产生任何影响。
- 可以类比java.lang.String类的对象实例，它是一个典型的不可变对象，用户调用它的substring()、replace()和concat()这些方法都不会影响它原来的值，只会返回一个新构造的字符串对象。

保证对象行为不影响自己状态的途径有很多种，最简单的一种就是把对象里面带有状态的变量都声明为final，这样构造函数结束之后，它就是不可变的，如下java.lang.Integer构造函数，通过将内部状态变量value定义为final来保障状态不变。

 /**
     * The value of the {@code Integer}.
     *
     * @serial
     */
    private final int value;

    /**
     * Constructs a newly allocated {@code Integer} object that
     * represents the specified {@code int} value.
     *
     * @param   value   the value to be represented by the
     *                  {@code Integer} object.
     */
    public Integer(int value) {
        this.value = value;
    }

java类库API中符合不可变要求的类型：

java.lang.String。
枚举类型。
java.lang.Number的部分子类。
- Long和Double等数值包装类型。
- BigInteger和BigDecimal等大数据类型。

例外：同为Number子类型的原子类AtomicInteger和AtomicLong则是可变的。为啥这样设计？

绝对线程安全

绝对线程安全的定义是很严格的，一个类要达到“不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施”可能需要付出非常高昂的，甚至不切实际的代价。在java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对的线程安全。我们可以通过java API中一个不是“绝对线程安全”的“线程安全类型”来看看这个语境里的“绝对”究竟是什么意思。

Java.util.Vector是一个线程安全的容器，因为它的add()、get()和size()等方法都是被synchronized修饰的，尽管这样效率不高，但保证了具备原子性、可见性和有序性。不过，即使它所有的方法都被修饰成synchronized，也不意味着调用它的时候就永远都不再需要同步手段了。

package com.example.xuniji;

import java.util.Vector;

/**
 * @ClassName VectorTest
 * @Author jia_xx
 * @Date 2022/5/27 21:22
 */
public class VectorTest {
    private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                vector.add(i);
            }

            Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        vector.remove(i);
                    }
                }
            });

            Thread printThread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        System.out.println(vector.get(i));
                    }
                }
            });

            removeThread.start();
            printThread.start();

            while (Thread.activeCount() > 20) {
            }
        }
    }
}

Exception in thread "Thread-1007" Exception in thread "Thread-1008" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 9
	at java.util.Vector.get(Vector.java:751)
	at com.example.xuniji.VectorTest$2.run(VectorTest.java:32)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 7
	at java.util.Vector.remove(Vector.java:834)
	at com.example.xuniji.VectorTest$1.run(VectorTest.java:23)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

尽管这里使用到的Vector的get()、remove()和size()方法都是同步的，但是在多线程的环境中，如果不在方法调用端做额外的同步措施，使用这段代码仍然是不安全的。因为如果另一个线程恰好在错误的时间里删除了一个元素，导致序号i已经不再可用，再用i访问数组就会抛出一个ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

如果要保证这段代码能正确执行下去，我们不得不把removeThread和printThread定义成如下所示：

Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        synchronized (vector) {
            for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                vector.remove(i);
            }
        }
    }
});

Thread printThread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        synchronized (vector) {
            for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                System.out.println(vector.get(i));
            }
        }
    }
});

假如Vector一定要做到绝对的线程安全，那就必须在它内部维护一组一致性的快照访问才行，每次对其中元素进行改动都要产生新的快照，这样要付出的时间和空间成本都是非常大的。