成员变量和静态变量是否线程安全

  • 如果它们没有共享，则线程安全

  • 如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况

    • 如果只有读操作，则线程安全

    • 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

局部变量是否线程安全

  • 局部变量是线程安全的

  • 但局部变量引用的对象则未必

    • 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的

    • 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

局部变量线程安全分析

1
2
3
4
public static void test1() {
    int i = 10;
    i++;
}

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
class ThreadUnsafe {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();

    public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
          // { 临界区, 会产生竞态条件
          method2();
          method3()
          // } 临界区
        }
    }

    private void method2() {
        list.add("1");
    }

    private void method3() {
      list.remove(0);
    }
}

@Slf4j
public class TestThreadUnsafe {
  static final int THREAD_NUMBER = 2;
  static final int LOOP_NUMBER = 200;

  public static void main(String[] args) {
      ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
      for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
          new Thread(() -> {
              test.method1(LOOP_NUMBER);
          }, "Thread" + i).start();
      }
  }
}

其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错：

1
2
3
4
5
6
7
Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0
at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657)
at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496)
at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35)
at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26)
at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

分析：

无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量

method3 与 method2 分析相同

将 list 修改为局部变量,那么就不会有上述问题了

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

分析：

list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享

而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象

method3 的参数分析与 method2 相同

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？

情况1：有其它线程调用 method2 和 method3

情况2：在 情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
    @Override
    public void method3(ArrayList<String> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

常见线程安全类

  • String

  • Integer

  • StringBuffer

  • Random

  • Vector

  • Hashtable

  • java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为

1
2
3
4
5
6
7
Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
    table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
    table.put("key", "value2");
}).start();

它们的每个方法是原子的,但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析

线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？

1
2
3
4
5
Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
    table.put("key", value);
}

不可变类线程安全性

String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的

有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢?