线程安全问题（一）——锁的简单使用

线程安全问题的引入

在前面的博文中，我们了解到通过Thread.join()的方法让线程进入等待，能够在一定程度上解决线程抢占式执行的问题。回忆点这里
那么由于多线程代码而导致的bug，这样的问题就是线程安全问题。

案例引入

在下面的代码中，我希望执行之后得到count=100000的结果。

private static long count;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {count++;}});Thread t2 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {count++;}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("count:"+count);}

结果如图：通过结果，我们每次运行得到的答案都是不一样的。

多线程指令排序问题

在上面的demo中，执行count++的指令并不只有一条这么简单。它可以分为三个步骤：(1) load操作： 读取内存中count的数值，保存到cpu寄存器中。 (2) add操作： 将寄存器中的count+1 (3) save操作：将寄存器中count的数值存放回内存中。
看似三条指令的简单操作，在多线程并发执行中却容易导致许多问题。
在多线程随即调度的执行状况下，两个线程的指令执行相对顺序可能就会存在多种可能，下面我列出几种可能性。

在上面的顺序中，我们可以理解为 在第一次t1线程的count++之后，count=1的值存放于寄存器中，接下来t2线程count++的时候，load指令下读取的数值为count=0，之后save操作后count=1，最后执行t1线程的save后值不变。因此执行了两次count++操作后，count的值只加了一次，出现了覆盖现象。
我们可以不断扩大到其他状况，如t1线程辛辛苦苦加了100次，但是t2线程最终存放count=1将值覆盖了。

线程不安全的原因

• 线程在系统中是随即调度，抢占式执行的。
• 多个线程同时修改同一个变量（参考上述例子）
• 线程对变量进行修改操作，非原子指令
• 内存可见性问题
• 指令重排序问题

解决线程不安全的方法

对于原因2，我们可以通过join等方式防止这种情况的发生，但这样做并不普适，属于少有的情况。

锁的引入

对于案例中的count++操作，我们清楚它不是一个原子操作，因此，程序猿想出来了一个办法：将上述的一系列“非原子”操作打包成一个“原子”操作。这样就能够避免线程不安全的问题。
基于这样的背景，锁被创建出来了。

上锁和解锁过程

假设存在两个线程t1和t2，
（1）上锁：我们首先给t1加上锁(lock)，t2也尝试加同一把锁，那么这时候t2线程就会阻塞等待，在Java中该线程处于Blocked状态。
（2）解锁：当线程t1执行完锁住的部分后，线程t1解锁，接着由线程t2通过锁竞争拿到该锁(lock)，加锁成功，t2线程转变为Runnable状态。
通过锁的存在，使得线程之间存在互斥的关系。在两个线程之间尚且都要通过锁竞争，而存在多个线程的情况下自然也要通过竞争的方式占据锁。这里必须要明确一个条件：线程之间竞争的必须要是同一把锁。

一个简单的锁Demo

通过下面的代码块进行简单的解释。

• 首先new一个Object类的对象object1.我们要把这个对象作为锁。看到这里我们就可以清楚，锁不必是某种特定的类，他只是一个标识，只是一个对象即可。
• 在这段案例中，存在main、t1、t2三个线程，main线程十分简单，通过Thread.join()的方法等待t1和t2两个线程运行结束之后打印出结果即可。
• 在线程t1和t2中，在for循环中，我们可以看到synchronized (object1)。其中synchronized就是锁的关键字。在t1和t2都使用了这段语句，即在进行count++操作之前，需要进行锁竞争，只有拥有锁的一方才可以进行count++操作。
• 在这段代码块中，t1和t2在for循环的时候是并行执行的，而在锁竞争的时候是串行执行的。这样计算下来比单线程所花费的时间要少许多。

private static int count;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object object1 = new Object();Thread t1 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {synchronized (object1) {count++;}}});Thread t2 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {synchronized (object1) {count++;}}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("count = "+count);}

运行结果如下图：

对这个案例进行几次修改

（1）接下来我们可以考虑，当锁对象为两个：object1和object2时，两个线程分别竞争两个不一样的锁，会出现什么情况

结果如下：

通过这个改变，我们可以理解不同的锁对象之间不存在互斥关系，因此二者之间也就不会发生锁竞争。

（2）将synchronized放在for循环外面的情况
在这种条件下，意味着当t1或t2某一个线程拿到这把锁之后，只有等循环结束以后才能释放了，很明显这样的情况所花费的资源甚至多于单线程。

Thread t1 = new Thread(()->{synchronized (object1) {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count++;}}});Thread t2 = new Thread(()->{synchronized (object1) {for (int i = 0; i < 50000; i++) {count++;}}});

（3）在下面的代码中，设计Counter类进行add和get操作，在上面的代码中，我们已经知道锁对象只是一个标识，不关心它是怎样的存在，因此在这里，我们大胆的把counter对象作为锁对象。

class Counter {public int count;public  void add() {count++;}public int getCount() {return count;}
}
public class Demo3 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Counter counter = new Counter();Thread t1 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {synchronized (counter) {counter.add();}}});Thread t2 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {synchronized (counter) {counter.add();}}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("count = "+counter.getCount());}
}

运行结果如下图：

（4）如果我们把锁加到add()方法中，我们通过this来指代对应的对象，这样做的情况是当多个线程调用该方法的时候，如果使用的是同一个对象会进行竞争，如果是不同对象的话则不会进行竞争。
同含义的写法为：synchronized public void add()

class Counter {public int count;public void add() {synchronized（this){count++;}}public int getCount() {return count;}
}Thread t1 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {counter.add();}});Thread t2 = new Thread(()->{for (int i = 0; i < 50000; i++) {counter.add();}});

(5)对静态方法加锁
与(4)不同的是，加锁的对象为Counter这个类对象，因此如果多个线程调用func方法，则这些线程之间都会进行锁竞争。

//第一种写法
public static void func(){synchronized (Counter.class) {//func}
}
//第二种写法
synchronized public static void func(){//func
}

总结

对于锁的概念需要逐渐深入，在本文中讲解了锁引入的原因以及锁的几种写法。
本文中使用的源码请戳此处