面試官：談?wù)勀銓?duì)Java線程安全與不安全的理解

當(dāng)我們查看JDK API的時(shí)候，總會(huì)發(fā)現(xiàn)一些類說(shuō)明寫著，線程安全或者線程不安全，比如說(shuō)到StringBuilder中，有這么一句，“將StringBuilder 的實(shí)例用于多個(gè)線程是不安全的。如果需要這樣的同步，則建議使用StringBuffer?！?/strong>

提到StringBuffer時(shí)，說(shuō)到“StringBuffer是線程安全的可變字符序列，一個(gè)類似于String的字符串緩沖區(qū)，雖然在任意時(shí)間點(diǎn)上它都包含某種特定的字符序列，但通過(guò)某些方法調(diào)用可以改變?cè)撔蛄械拈L(zhǎng)度和內(nèi)容?？蓪⒆址彌_區(qū)安全地用于多個(gè)線程?？梢栽诒匾獣r(shí)對(duì)這些方法進(jìn)行同步，因此任意特定實(shí)例上的所有操作就好像是以串行順序發(fā)生的，該順序與所涉及的每個(gè)線程進(jìn)行的方法調(diào)用順序一致”。

StringBuilder是一個(gè)可變的字符序列，此類提供一個(gè)與StringBuffe兼容的API，但不保證同步。該類被設(shè)計(jì)用作StringBuffer的一個(gè)簡(jiǎn)易替換，用在字符串緩沖區(qū)被單個(gè)線程使用的時(shí)候（這種情況很普遍）。如果可能，建議優(yōu)先采用該類，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)實(shí)現(xiàn)中，它比StringBuffer要快。將StringBuilder的實(shí)例用于多個(gè)線程是不安全的，如果需要這樣的同步，則建議使用StringBuffer。

根據(jù)以上JDK文檔中對(duì)StringBuffer和StringBuilder的描述，得到對(duì)String、StringBuilder與StringBuffer三者使用情況的總結(jié)：

• 如果要操作少量的數(shù)據(jù)用String
• 單線程操作字符串緩沖區(qū)下操作大量數(shù)據(jù)StringBuilder
• 多線程操作字符串緩沖區(qū)下操作大量數(shù)據(jù)StringBuffer

那么下面手動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)線程不安全的類，然后在多線程中使用這個(gè)類，看看有什么效果。

public class Count {
    private int num;
    //public void count() {
    //    for(int i = 1; i <= 100; i++) {
    //        num += i;
    //    }
    //    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num);
    //}

    public int getNum() {
        return num;
    }

    public void increment(int i) {
        num = num + i;
    }
}

在這個(gè)類中的increment方法實(shí)現(xiàn)num變量與指定變量作加法。

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            Count count = new Count();
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    count.increment(1);
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + count.getNum());
                try {
                    Thread.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };

        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(runnable);
            thread.start();
        }
    }
}

這里啟動(dòng)了10個(gè)線程，看一下輸出結(jié)果：

Thread-0-1660
Thread-2-2660
Thread-3-3660
Thread-1-1660
Thread-4-4882
Thread-5-5579
Thread-6-6579
Thread-7-7579
Thread-8-8579
Thread-9-9579

期望的結(jié)果是每個(gè)線程都能輸出1000，但實(shí)際上每個(gè)線程的輸出值都不一樣而且不是整數(shù)，多運(yùn)行幾次每次的輸出結(jié)果都不一樣，要想得到我們期望的結(jié)果，有幾種解決方案：

1、將累加邏輯移到Count類中，并且使用局部變量而不是成員變量；

public class Count {
    public void count() {
        int number = 0;
        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            number += 1;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + number);
    }
}

~

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            Count count = new Count();
            @Override
            public void run() {
                count.count();
                try {
                    Thread.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };

        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(runnable);
            thread.start();
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

Thread-0-1000
Thread-3-1000
Thread-4-1000
Thread-1-1000
Thread-2-1000
Thread-5-1000
Thread-6-1000
Thread-7-1000
Thread-8-1000
Thread-9-1000

2、將線程類成員變量拿到run方法中，這時(shí)count引用是線程內(nèi)的局部變量；

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Count count = new Count();
                for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                    count.increment(1);
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + count.getNum());
                try {
                    Thread.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };

        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(runnable);
            thread.start();
        }
    }
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

Thread-1-1000
Thread-3-1000
Thread-2-1000
Thread-0-1000
Thread-5-1000
Thread-4-1000
Thread-6-1000
Thread-7-1000
Thread-8-1000
Thread-9-1000

3、每次啟動(dòng)一個(gè)線程使用不同的線程類，不推薦。

通過(guò)上述測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)，存在成員變量的類（即有狀態(tài)的類）用于多線程時(shí)是不安全的，不安全體現(xiàn)在這個(gè)成員變量可能發(fā)生非原子性的操作，而變量定義在方法內(nèi)也就是局部變量是線程安全的。

想想在使用struts1時(shí)，不推薦創(chuàng)建成員變量，因?yàn)閍ction是單例的，如果創(chuàng)建了成員變量，就會(huì)存在線程不安全的隱患，而struts2是每一次請(qǐng)求都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)action，就不用考慮線程安全的問題。所以，日常開發(fā)中，通常需要考慮成員變量或者說(shuō)全局變量在多線程環(huán)境下，是否會(huì)引發(fā)一些問題。

要說(shuō)明線程同步問題首先要說(shuō)明Java線程的兩個(gè)特性，可見性和有序性。

多個(gè)線程之間是不能直接傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的，它們之間的交互只能通過(guò)共享變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。拿上面的例子來(lái)說(shuō)明，在多個(gè)線程之間共享了Count類的一個(gè)實(shí)例，這個(gè)對(duì)象是被創(chuàng)建在主內(nèi)存（堆內(nèi)存）中，每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存（線程棧），工作內(nèi)存存儲(chǔ)了主內(nèi)存count對(duì)象的一個(gè)副本，當(dāng)線程操作count對(duì)象時(shí)，首先從主內(nèi)存復(fù)制count對(duì)象到工作內(nèi)存中，然后執(zhí)行代碼count.count()，改變了num值，最后用工作內(nèi)存中的count刷新主內(nèi)存的 count。當(dāng)一個(gè)對(duì)象在多個(gè)工作內(nèi)存中都存在副本時(shí)，如果一個(gè)工作內(nèi)存刷新了主內(nèi)存中的共享變量，其它線程也應(yīng)該能夠看到被修改后的值，此為可見性。

多個(gè)線程執(zhí)行時(shí)，CPU對(duì)線程的調(diào)度是隨機(jī)的，我們不知道當(dāng)前程序被執(zhí)行到哪步就切換到了下一個(gè)線程，一個(gè)最經(jīng)典的例子就是銀行匯款問題，一個(gè)銀行賬戶存款100，這時(shí)一個(gè)人從該賬戶取10元，同時(shí)另一個(gè)人向該賬戶匯10元，那么余額應(yīng)該還是100。那么此時(shí)可能發(fā)生這種情況，A線程負(fù)責(zé)取款，B線程負(fù)責(zé)匯款，A從主內(nèi)存讀到100，B從主內(nèi)存讀到100，A執(zhí)行減10操作，并將數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存，這時(shí)主內(nèi)存數(shù)據(jù)100-10=90，而B內(nèi)存執(zhí)行加10操作，并將數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存，最后主內(nèi)存數(shù)據(jù)100+10=110，顯然這是一個(gè)嚴(yán)重的問題，我們要保證A線程和B線程有序執(zhí)行，先取款后匯款或者先匯款后取款，此為有序性。

在Web開發(fā)方面，Servlet是否是線程安全的呢？

Servlet不是線程安全的。要解釋為什么Servlet為什么不是線程安全的，需要了解Servlet容器（如Tomcat）是如何響應(yīng)HTTP請(qǐng)求的。當(dāng)Tomcat接收到Client的HTTP請(qǐng)求時(shí)，Tomcat從線程池中取出一個(gè)線程，之后找到該請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的Servlet對(duì)象并進(jìn)行初始化，之后調(diào)用service()方法。

要注意的是每一個(gè)Servlet對(duì)象在Tomcat容器中只有一個(gè)實(shí)例對(duì)象，即是單例模式。如果多個(gè)HTTP請(qǐng)求請(qǐng)求的是同一個(gè)Servlet，那么這兩個(gè)HTTP請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的線程將并發(fā)調(diào)用Servlet的service()方法。如果的Thread1和Thread2調(diào)用了同一個(gè)Servlet1，Servlet1中定義了成員變量或靜態(tài)變量，那么可能會(huì)發(fā)生線程安全問題（因?yàn)樗械木€程都可能使用這些變量）。

像Servlet這樣的類，在Web 容器中創(chuàng)建以后，會(huì)被傳遞給每個(gè)訪問Web應(yīng)用的用戶線程執(zhí)行，這個(gè)類就不是線程安全的。但這并不意味著一定會(huì)引發(fā)線程安全問題，如果Servlet類里沒有成員變量，即使多線程同時(shí)執(zhí)行這個(gè)Servlet實(shí)例的方法，也不會(huì)造成成員變量沖突。

這種對(duì)象被稱作無(wú)狀態(tài)對(duì)象，也就是說(shuō)對(duì)象不記錄狀態(tài)，執(zhí)行這個(gè)對(duì)象的任何方法都不會(huì)改變對(duì)象的狀態(tài)，也就不會(huì)有線程安全問題了。事實(shí)上，Web開發(fā)實(shí)踐中，常見的Service類、DAO類，都被設(shè)計(jì)成無(wú)狀態(tài)對(duì)象，所以雖然我們開發(fā)的Web應(yīng)用都是多線程的應(yīng)用，因?yàn)閃eb容器一定會(huì)創(chuàng)建多線程來(lái)執(zhí)行我們的代碼，但是我們開發(fā)中卻可以很少考慮線程安全的問題。