JavaJava多线程

前言

通过前面两章的学习，我们了解了线程的基本概念和创建线程的四种方式。

这一章，我们来谈谈线程安全问题。

也许小伙伴们刚听到这个词语的时候，是一脸懵逼，笔者初学线程安全也是这样的。所以本章从几个案例入手，让小伙伴们尽可能地理解什么是线程安全。

sleep()方法

在学习线程安全之前，我们首先得简单地介绍Thread类中的一个静态方法----sleep()

首先我们要知道，程序运行的速度是非常快的，当CPU调度某个线程开始执行时，由于运行速度太快，此线程可能执行完之后CPU才开始调度其他线程，这样显然不符合并发的特点，因此我们希望能阻塞某个线程的运行，使得其他线程有执行的“机会”，这时我们可以考虑sleep()方法。

在某个线程的run()方法里调用Thread.sleep(1000)后，会使当前正在运行的线程立即进入阻塞状态，1000ms后，阻塞状态解除，进入可运行态，等待CPU的再次调度。在这段时间里，其它线程有可能获取CPU的使用权，从而达到并发的效果。

调用sleep()方法可以扩大多线程执行时问题的发生性，以便开发者能够迅速发现bug，解决bug。

最后，请记住一句话（后几章会解释）：Java中**每个对象有且只有一把锁，调用sleep()不会释放锁**。

问题一：多人取钱

了解完sleep()方法后，我们来看第一个案例-----多人取钱问题。

假设现在，你和你妻子有100万存款，现在你俩同时去取钱，你想取50万，你妻子想取100万。就上述这个场景，我们用代码来模拟一下：

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/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/28
 * @apiNote 线程安全问题一-------取钱问题
 */

public class UnsafeBank {
    public static void main(String[] args) {
        //账户
        Account account = new Account(100,"买房基金");
        //你和你的妻子都要取钱
        Drawing you = new Drawing(account,50,"你");
        Drawing girlFriend = new Drawing(account,100,"妻子");
        you.start();
        girlFriend.start();
    }
}

//账户
class Account{
    int money; //余额
    String name; //卡名
    public Account(int money,String name){
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}

//银行
class Drawing extends Thread{
    Account account; //账户
    int drawingMoney; //取的钱
    int nowMoney; //现手上有的钱
    public Drawing(Account account,int drawingMoney,String name){
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;
    }
    @Override
    public void run() {
        if(account.money - drawingMoney < 0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够了，取不了！");
            return;
        }
        //卡内余额
        account.money = account.money - drawingMoney;
        //手里的钱
        nowMoney = nowMoney + drawingMoney;
        //打印
        System.out.println(account.name + "余额为：" + account.money);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "手里的钱：" + nowMoney);
    }
}

代码本身比较简单，我们来看它的运行结果：

img

再运行一次：

img粗略看来，上述运行结果好像没有什么问题，但是，我在前面说过，如果程序运行太快，两个线程可能是顺序执行的，因此我们考虑在程序中加入sleep()方法来模拟延时，以此扩大问题发生的可能性：

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/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/28
 * @apiNote 线程安全问题一-------取钱问题
 */

public class UnsafeBank {
    public static void main(String[] args) {
        //账户
        Account account = new Account(100,"买房基金");
        //你和你的妻子都要取钱
        Drawing you = new Drawing(account,50,"你");
        Drawing girlFriend = new Drawing(account,100,"妻子");
        you.start();
        girlFriend.start();
    }
}

//账户
class Account{
    int money; //余额
    String name; //卡名
    public Account(int money,String name){
        this.money = money;
        this.name = name;
    }
}


//银行
class Drawing extends Thread{
    Account account; //账户
    int drawingMoney; //取的钱
    int nowMoney; //现手上有的钱
    public Drawing(Account account,int drawingMoney,String name){
        super(name);
        this.account = account;
        this.drawingMoney = drawingMoney;

    }
    @Override
    public void run() {
        if(account.money - drawingMoney < 0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "钱不够了，取不了！");
            return;
        }
        //模拟延时，保证多人都有机会取到钱
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //卡内余额
        account.money = account.money - drawingMoney;
        //手里的钱
        nowMoney = nowMoney + drawingMoney;
        //打印
        System.out.println(account.name + "余额为：" + account.money);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "手里的钱：" + nowMoney);
    }
}

这时，我们来看程序的运行结果：

img再运行一次： img你会惊奇地发现，余额竟然出现了负数！ 为什么会出现负数呢？

小伙伴们可以停下来想一想原因。首先，我们来了解一下JVM中的线程是如何处理“count--”这个指令的。咱可以简单地分为三步：

  1. –>某线程从内存中读取count到自己的寄存器
  2. –>某线程在寄存器中修改count的值
  3. –>某线程将修改后的count值写入内存(刷新内存)

在多线程环境下，由于线程会共享进程中的资源，上述三步中任何一步都有可能被其他线程打断，也就是说，有可能count值还没来得及写入内存，就被其他线程读取或写入了。理解这个之后，就不难理解 -50（万）出现的原因了。

假设“妻子的线程”先被CPU调度执行，在妻子的run()方法中，首先执行if判断，条件为假，继续执行下一句。假设刚要执行下一句

account.money = account.money - drawingMoney

时，“妻子的线程”强行被“你的线程”打断，“你的线程”读取到的account.money值仍然是原来的 100（万），这使得“你的线程”通过执行

account.money = account.money - drawingMoney

使得account.money的值变为了

100（万）- 50（万）= 50（万）

并成功写入了内存里。“你的线程”执行完之后，CPU继续调度“妻子的线程”。妻子读取到的account.money值为被“你的线程”修改后的 50（万），由于此前已执行过if判断，故“妻子的线程”接着执行

account.money = account.money - drawingMoney

使得account.money变成了

50（万）- 100（万）= -50（万）

并也成功地写入了内存，最后输出，就出现了-50（万）这个结果。请小伙伴们细细体会～。

问题二：多人购票

如果你已经理解了一丢丢，我们继续举第二个例子-----多人购票问题：

假设现在，某铁路局某线仅有10张票了，小红，小白，小黑都想要买票，就这个场景，我们来模拟一下买票的过程，同上，我们仍然用sleep()模拟延时，扩大问题发生的可能性：

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/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/27
 * @apiNote 线程安全问题一-------买票问题
 */
public class UnsafeBuyTicket {
    public static void main(String[] args) {
        BuyTicket buyTicket = new BuyTicket();
        new Thread(buyTicket,"小红").start();
        new Thread(buyTicket,"小白").start();
        new Thread(buyTicket,"小黑").start();
    }
    
}

class BuyTicket implements Runnable{
    //票数
    private int tickets = 10;
    //线程停止的标志位
    private boolean flag = true;
    private void buy() throws InterruptedException {
        //判断是否有票
        if(tickets <= 0){
            flag = false;
            return;
        }
        //模拟延时，保证多人都能买到票
        Thread.sleep(10);
        //买票
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "拿到了第" + tickets-- +"张票");
    }
    @Override
    public void run() {
        while (flag){
            try {
                buy();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

不知道小伙伴们在这个程序里发现了哪些问题，我们来看运行结果：

img

img这儿有两个问题：

  1. 三人同时抢到了同一张票！

  2. 有人抢到了第 -1 张票！

小伙伴们可以仔细思考一下，下面，我给出问题2的一个解释。为了便于解释，我们将小红，小黑，小白三个线程记作A，B，C三个线程。当还剩下最后一张票的时候，我们可以脑补一下程序的执行过程：

在A线程里，刚执行完if语句判断，便被B线程打断，B线程刚执行完if语句判断，又被C线程打断，C线程未被打断，成功执行完run()方法输出最后一张票同时将count(票数)更新成了0，C线程结束。之后假设CPU调度A线程，由于之前在A线程里已执行过if语句判断，那么再次调度会接着if语句后面的代码执行，从而输出了第0张票同时使得count(票数)更新成了-1，A线程结束。最后CPU调度B线程，同理，由于之前在B线程里已执行过if语句判断，那么再次调度会接着if语句后面的代码执行，从而输出了第-1张票。

至于三人同时抢到了同一张票，小伙伴们自行思考一下吧…

上述两个例子中，问题出现的核心原因，咱概括来说，就是线程间不确定地切换使得if语句失去了原有的作用，程序未及时终止而出错。

问题三：ArrayList

最后，我们举一个JDK中线程不安全的例子，以ArrayList为例：

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import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @author sixibiheye
 * @date 2021/8/28
 * @apiNote 线程安全问题一-------ArrayList安全问题
 */
public class UnsafeList {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread( () -> {
                list.add(Thread.currentThread().getName());
            }).start();
        }
        //sleep保证上述for循环跑完再输出
        Thread.sleep(3000);
        //输出列表大小
        System.out.println(list.size());
    }
}

如果你认为输出结果是10000的话，那就大错特错了，请看运行结果：

img再运行一次：

img这个问题比较简单：虽然开启了10000个线程往ArrayList里加数据，但有可能出现：某两个线程往ArrayList添加数据的时候，添加在了ArrayList的同一位置（ 比如ArrayList[5666] )，这样ArrayList的大小自然就不足10000了。

希望小伙伴们能够认真地理解上面介绍的三个线程不安全的案例。只有对问题足够了解，才有可能解决问题。下一章，我们将介绍如何解决上面的线程不安全问题。

PS：It so difficult to write this…能够借鉴的资料实在有限，查阅了大量资料，修改了十几遍，才成此篇，部分解释可能不太严谨，欢迎指正～

本文作者：LuoYing @ 小小白的笔记屋

本文链接：https://luoying.netlify.app/2021/08/29/vnzopy0j/

本文标题：Java多线程详解（线程不安全案例）

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