Java并發編程：線程安全
1. 什么是線程安全？
《Java 并發編程實戰》的作者 Brian Goetz 對線程安全的理解是：當多個線程訪問一個對象時，如果不需要考慮這些線程在運行時環境中的調度和交替執行，也不需要額外的同步，調用這個對象的行為都能獲得正確的結果，那么這個對象就是線程安全的。
通俗地說，無論有多少線程訪問業務中的一個對象或方法，在編寫這段業務邏輯時，無需做任何額外處理（即可以像單線程程序一樣編寫），程序也能正常運行（不會因多線程而失敗），這樣的代碼就可以稱為線程安全的。
2. 什么是線程不安全？
當多個線程同時訪問一個對象時，如果某個線程正在更新對象的值，而另一個線程同時讀取該對象的值，就可能導致獲取到錯誤的值。這種情況下，我們需要采取額外措施（例如使用synchronized關鍵字同步這部分代碼的執行）來確保結果的正確性。
3. 為什么不是所有程序都設計成線程安全的？
主要是出于程序性能、設計復雜度成本等方面的考量。
4. 線程安全問題的分類
4.1 運行結果錯誤
首先來看多線程同時操作一個變量如何導致運行結果錯誤。
假設用兩個線程對count變量進行計數，每個線程各計 10000 次：
public class ResultError {
static int count;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable runnable = () -> {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
count++;
}
};
Thread thread1 = new Thread(runnable);Thread thread2 = new Thread(runnable);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(count);
}
}輸出：
圖片
理論上結果應為 20000，但實際輸出遠小于理論值，且每次結果不同。為什么會這樣？
這是因為多線程下，CPU 的調度是以時間片為單位分配的，每個線程獲得一定時間片后，若時間片耗盡會被掛起并讓出 CPU 資源給其他線程，這可能導致線程安全問題。例如，i++看似一行代碼，實際并非原子操作，其執行步驟主要分為三步，且每一步操作之間可能被中斷：
- 讀取當前值；
- 遞增；
- 保存結果。
圖片
假設線程 1 先讀取count=1，隨后執行count + 1操作，但此時結果尚未保存，線程 1 被切換。CPU 開始執行線程 2，其操作與線程 1 相同。但此時線程 2 讀取的count值是多少？由于線程 1 的+1操作未保存結果，線程 2 讀取的仍然是count=1。
假設線程 2 執行count + 1后保存結果為 2，隨后線程 1 恢復執行，保存其計算結果為 2。雖然兩個線程各執行了一次+1，但最終count結果為 2 而非預期的 3。這就是典型的線程安全問題，此時count變量被稱為共享變量或共享數據。
如何解決？
解決此類問題需要一種機制：當多個線程操作共享變量時，確保同一時刻僅有一個線程能操作該變量，其他線程必須等待當前線程處理完成。這種方法使用互斥鎖（Mutex Lock）實現互斥訪問——當共享數據被當前線程加鎖時，其他線程只能等待鎖釋放。
Java 中，用synchronized關鍵字修飾的方法或代碼塊可以保證同一時刻僅有一個線程執行。代碼如下：
public class ResultErrorResolution {
staticint count;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable runnable = () -> {
synchronized (ResultErrorResolution.class) {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
count++;
}
}
};
Thread thread1 = new Thread(runnable);
Thread thread2 = new Thread(runnable);
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(count);
}
}輸出：
20000輸出結果與預期一致??。
關于synchronized關鍵字，后續章節會詳細講解。目前只需知道它能保證同一時刻最多一個線程執行該代碼段（需持有對應的鎖，本例中為ResultErrorResolution.class），從而實現并發安全。
4.2 線程活躍性問題
第二類線程安全問題統稱為活躍性問題。活躍性問題指程序無法獲得運行的最終結果。相比前文的錯誤，活躍性問題的后果可能更嚴重，例如死鎖會導致程序完全卡死。
典型的活躍性問題包括死鎖（Deadlock）、活鎖（Livelock）和饑餓（Starvation）。由于內容較多，后續會單獨寫篇文章介紹。
4.3 對象初始化時的安全問題
最后是對象初始化過程中引發的線程安全問題。創建對象以供其他類或對象使用是常見操作，但若時機或錯誤可能導致線程安全問題。
看一個例子：
public class InitError {
private Map<Long, String> students;
public InitError() {
new Thread(() -> {
students = new HashMap<>();
students.put(1L, "Tom");
students.put(2L, "Bob");
students.put(3L, "Victor");
}).start();
}
public Map<Long, String> getStudents() {
return students;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
InitError initError = new InitError();
System.out.println(initError.getStudents().get(1L));
}
}此例中，成員變量students在構造函數的子線程中初始化。但主線程在初始化InitError后未等待子線程完成，直接嘗試獲取數據，導致問題：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
InitError initError = new InitError();
System.out.println(initError.getStudents().get(1L));
}運行結果：
Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException
at concurrency.chapter10.InitError.main(InitError.java:25)原因：
students在構造函數的新線程中初始化，而主線程未等待該線程完成就直接調用getStudents()，此時students可能尚未初始化（返回null），導致空指針異常。
5. 哪些場景需特別注意線程安全問題？
5.1 訪問共享變量或資源
當訪問靜態變量、共享緩存等共享資源時，若多線程同時操作（如count++），需確保原子性。例如以下“檢查后執行”操作可能被中斷：
if (count == 10) {
count = count * 10;
}多個線程可能同時滿足count == 10，導致多次執行count = count * 10，需通過加鎖保證原子性。
5.2 數據間存在綁定關系
當不同數據成組出現且需保持對應關系時（如 IP 和端口號），若修改未綁定為一個原子操作，可能導致信息不一致。例如僅修改 IP 而未同步修改端口號，接收方可能獲取錯誤的綁定結果。
5.3 依賴的類未聲明線程安全
若使用的類未聲明自身是線程安全的（如ArrayList），在多線程并發操作時可能引發線程安全問題。責任不在該類本身，因其未做任何線程安全保證（源碼注釋中通常會說明）。
