Java 多執行緒安全問題簡單切入詳細解析
阿新 • • 發佈：2020-01-19
執行緒安全
假如Java程式中有多個執行緒在同時執行，而這些執行緒可能會同時執行一部分的程式碼。如果說該Java程式每次執行的結果和單執行緒的執行結果是一樣的，並且其他的變數值也都是和預期的結果是一樣的，那麼就可以說執行緒是安全的。
解析什麼是執行緒安全：賣電影票案例
假如有一個電影院上映《葫蘆娃大戰奧特曼》，售票100張（1-100號），分三種情況賣票：
情況1
該電影院開設一個售票視窗，一個視窗賣一百張票，沒有問題。就如同單執行緒程式不會出現安全問題一樣。
情況2
該電影院開設n（n>1）個售票視窗，每個售票視窗售出指定號碼的票，也不會出現問題。就如同多執行緒程式，沒有訪問共享資料，不會產生問題。
情況3
該電影院開設n（n>1）個售票視窗，每個售票窗口出售的票都是沒有規定的（如：所有的視窗都可以出售1號票），這就會出現問題了，假如三個視窗同時在賣同一張票，或有的票已經售出，還有視窗還在出售。就如同多執行緒程式，訪問了共享資料，會產生執行緒安全問題。
賣100張電影票Java程式實現：出現情況3類似情況
public class MovieTicket01 implements Runnable {
/**
* 電影票數量
*/
private static int ticketNumber = 100;
/**
* 在實現類中重寫Runnable介面的run方法，並設定此執行緒要執行的任務
*/
@Override
public void run() {
// 設定此執行緒要執行的任務
while (ticketNumber > 0) {
// 提高程式安全的概率，讓程式睡眠10毫秒
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 電影票出售
System.out.println("售票視窗（" + Thread.currentThread().getName() + "）正在出售：" + MovieTicket01.ticketNumber + "號電影票");
ticketNumber --;
}
}
}// 測試
public class Demo01MovieTicket {
public static void main(String[] args) {
// 建立一個 Runnable介面的實現類物件。
MovieTicket01 movieTicket = new MovieTicket01();
// 建立Thread類物件，構造方法中傳遞Runnable介面的實現類物件(三個視窗)。
Thread window0 = new Thread(movieTicket);
Thread window1 = new Thread(movieTicket);
Thread window2 = new Thread(movieTicket);
// 設定一下視窗名字，方便輸出確認
window0.setName("window0");
window1.setName("window1");
window2.setName("window2");
// 呼叫Threads類中的start方法，開啟新的執行緒執行run方法
window0.start();
window1.start();
window2.start();
}
}控制檯部分輸出： 售票視窗（window0）正在出售：100號電影票 售票視窗（window2）正在出售：99號電影票 售票視窗（window1）正在出售：100號電影票 售票視窗（window0）正在出售：97號電影票 售票視窗（window2）正在出售：97號電影票 售票視窗（window1）正在出售：97號電影票 售票視窗（window1）正在出售：94號電影票 售票視窗（window2）正在出售：94號電影票 . . . . . . 售票視窗（window0）正在出售：7號電影票 售票視窗（window2）正在出售：4號電影票 售票視窗（window0）正在出售：4號電影票 售票視窗（window1）正在出售：2號電影票 售票視窗（window1）正在出售：1號電影票 售票視窗（window2）正在出售：0號電影票 售票視窗（window0）正在出售：-1號電影票
可以看到，三個視窗（執行緒）同時出售不指定號數的票（訪問共享資料），出現了賣票重複，和出售了不存在的票號數（0、-1）
Java程式中為什麼會出現這種情況
- 在CPU執行緒的排程分類中，Java使用的是搶佔式排程。
- 我們開啟了三個執行緒，3個執行緒一起在搶奪CPU的執行權，誰能搶到誰就可以被執行。
- 從輸出結果可以知道，剛開始搶奪CPU執行權的時候，執行緒0（window0視窗）先搶到，再到執行緒1（window1視窗）搶到，最後執行緒2（window2視窗）才搶到。
- 那麼為什麼100號票已經在0號窗口出售了，在1號視窗還會出售呢？其實很簡單，執行緒0先搶到CPU執行權，於是有了執行權後，他就開始囂張了，作為第一個它通過while判斷，很自豪的拿著ticketNumber = 100進入while裡面開始執行。
- 可執行緒0是萬萬沒有想到，這時候的執行緒1，在拿到執行權後，線上程0剛剛實現print語句還沒開始ticketNumber --的時候，執行緒1以ticketNumber = 100跑進了while裡面。
- 執行緒2很遺憾，線上程0執行了ticketNumber --了才急匆匆的進入while裡面，不過它也不甘落後，於是拼命追趕。終於，後來居上，線上程1還沒開始print的時候，他就開始print了。於是便出現了控制檯的前三條輸出的情況。
售票視窗（window0）正在出售：100號電影票 售票視窗（window2）正在出售：99號電影票 售票視窗（window1）正在出售：100號電影票
window0、window1、window2分別對應執行緒0、執行緒1、執行緒2
- 以此類推，直到最後程式執行完畢。
解決情況3的共享資料問題
通過執行緒的同步，來解決共享資料問題。有三種方式，分別是同步程式碼塊、同步方法、鎖機制。
同步程式碼塊
public class MovieTicket02 implements Runnable {
/**
* 電影票數量
*/
private static int ticketNumber = 100;
/**
* 建立鎖物件
*/
Object object = new Object();
/**
* 在實現類中重寫Runnable介面的run方法，並設定此執行緒要執行的任務
*/
@Override
public void run() {
// 設定此執行緒要執行的任務
synchronized (object) {
// 把訪問了共享資料的程式碼放到同步程式碼中
while (ticketNumber > 0) {
// 提高程式安全的概率，讓程式睡眠10毫秒
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 電影票出售
System.out.println("售票視窗（" + Thread.currentThread().getName() + "）正在出售：" + MovieTicket02.ticketNumber + "號電影票");
ticketNumber --;
}
}
}
}
// 進行測試
public class Demo02MovieTicket {
public static void main(String[] args) {
// 建立一個 Runnable介面的實現類物件。
MovieTicket02 movieTicket = new MovieTicket02();
// 建立Thread類物件，構造方法中傳遞Runnable介面的實現類物件(三個視窗)。
Thread window0 = new Thread(movieTicket);
Thread window1 = new Thread(movieTicket);
Thread window2 = new Thread(movieTicket);
// 設定一下視窗名字，方便輸出確認
window0.setName("window0");
window1.setName("window1");
window2.setName("window2");
// 呼叫Threads類中的start方法，開啟新的執行緒執行run方法
window0.start();
window1.start();
window2.start();
}
}
控制檯輸出： 售票視窗（window0）正在出售：100號電影票 售票視窗（window0）正在出售：99號電影票 售票視窗（window0）正在出售：98號電影票 售票視窗（window0）正在出售：97號電影票 售票視窗（window0）正在出售：96號電影票 . . . . . . 售票視窗（window0）正在出售：5號電影票 售票視窗（window0）正在出售：4號電影票 售票視窗（window0）正在出售：3號電影票 售票視窗（window0）正在出售：2號電影票 售票視窗（window0）正在出售：1號電影票
這時候，控制檯不再出售不存在的電影號數以及重複的電影號數了。
通過程式碼塊中的鎖物件，可以使用任意的物件。但是必須保證多個執行緒使用的鎖物件是同一。鎖物件作用：把同步程式碼塊鎖住，只讓一個執行緒在同步程式碼塊中執行。
總結：同步中的執行緒，沒有執行完畢，不會釋放鎖，同步外的執行緒，沒有鎖，進不去同步。
同步方法
public class MovieTicket03 implements Runnable {
/**
* 電影票數量
*/
private static int ticketNumber = 100;
/**
* 建立鎖物件
*/
Object object = new Object();
/**
* 在實現類中重寫Runnable介面的run方法，並設定此執行緒要執行的任務
*/
@Override
public void run() {
// 設定此執行緒要執行的任務
ticket();
}
public synchronized void ticket() {
// 把訪問了共享資料的程式碼放到同步程式碼中
while (ticketNumber > 0) {
// 提高程式安全的概率，讓程式睡眠10毫秒
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 電影票出售
System.out.println("售票視窗（" + Thread.currentThread().getName() + "）正在出售：" + MovieTicket03.ticketNumber + "號電影票");
ticketNumber --;
}
}
}
測試與同步程式碼塊一樣。
鎖機制（Lock鎖）
在Java中，Lock鎖機制又稱為同步鎖，加鎖public void lock()，釋放同步鎖public void unlock()。
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class MovieTicket05 implements Runnable {
/**
* 電影票數量
*/
private static int ticketNumber = 100;
Lock reentrantLock = new ReentrantLock();
/**
* 在實現類中重寫Runnable介面的run方法，並設定此執行緒要執行的任務
*/
@Override
public void run() {
// 設定此執行緒要執行的任務
while (ticketNumber > 0) {
reentrantLock.lock();
// 提高程式安全的概率，讓程式睡眠10毫秒
try {
Thread.sleep(10);
// 電影票出售
System.out.println("售票視窗（" + Thread.currentThread().getName() + "）正在出售：" + MovieTicket05.ticketNumber + "號電影票");
ticketNumber --;
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
reentrantLock.unlock();
}
}
}
}
// 測試
public class Demo05MovieTicket {
public static void main(String[] args) {
// 建立一個 Runnable介面的實現類物件。
MovieTicket05 movieTicket = new MovieTicket05();
// 建立Thread類物件，構造方法中傳遞Runnable介面的實現類物件(三個視窗)。
Thread window0 = new Thread(movieTicket);
Thread window1 = new Thread(movieTicket);
Thread window2 = new Thread(movieTicket);
// 設定一下視窗名字，方便輸出確認
window0.setName("window0");
window1.setName("window1");
window2.setName("window2");
// 呼叫Threads類中的start方法，開啟新的執行緒執行run方法
window0.start();
window1.start();
window2.start();
}
}
控制檯部分輸出： 售票視窗（window0）正在出售：100號電影票 售票視窗（window0）正在出售：99號電影票 售票視窗（window0）正在出售：98號電影票 售票視窗（window0）正在出售：97號電影票 售票視窗（window0）正在出售：96號電影票 . . . . . . 售票視窗（window1）正在出售：7號電影票 售票視窗（window1）正在出售：6號電影票 售票視窗（window1）正在出售：5號電影票 售票視窗（window1）正在出售：4號電影票 售票視窗（window1）正在出售：3號電影票 售票視窗（window2）正在出售：2號電影票 售票視窗（window1）正在出售：1號電影票
與前兩種方式不同，前兩種方式，只有執行緒0能夠進入同步機制執行程式碼，Lock鎖機制，三個執行緒都可以進行執行，通過Lock鎖機制來解決共享資料問題。
Java 多執行緒安全問題就到這裡了，如果有什麼不足、錯誤的地方，希望大佬們指正。