多线程-线程安全

独断万古他化

发布于 2026-01-15 13:07:17

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一、线程状态

Java 给线程引入了六种状态

线程状态	含义说明
NEW	安排了工作，还未开始行动
RUNNABLE	可工作的，又可以分成正在工作中和即将开始工作
BLOCKED	这几个都表示排队等着其他事情
WAITING	这几个都表示排队等着其他事情
TIMED_WAITING	这几个都表示排队等着其他事情
TERMINATED	工作完成了

NEW：创建了Thread对象，但是还没有调用start；
TERMINATED：操作系统内部的线程已经销毁了，但是Thread对象还在，线程的入口方法执行完毕。
RUNNABLE：一个线程，正在cpu上执行，或者没有在cpu上执行，但是也在就绪队列中。
WAITING：表示死等进入的阻塞状态，join()不待参数
TIMED_WAITING：带有超时时间的等待
BLOCKED：特指由于锁引起的阻塞 eg：

public class Demo13 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread mainThread = Thread.currentThread();
        Thread t = new Thread(() -> {
           while (true){
               System.out.println(mainThread.getState());
               try {
                   Thread.sleep(1000);
               } catch (InterruptedException e) {
                   throw new RuntimeException(e);
               }
           }
        });

        System.out.println(t.getState());

        t.start();
        t.join(1000);

        System.out.println(t.getState());
    }
}

二、线程安全

一个进程的多个线程，共享同一份内存资源，如果两个线程，都尝试修改某个变量，就可能出现冲突；某个逻辑单个线程执行是可以的，但是多个线程执行出现问题，这就是线程不安全，反之则线程安全

线程安全问题的原因

[ 根本原因 ] 操作系统对于线程的调度是随机的（没有办法应对）
两个线程针对同一个变量进行修改操作
修改操作不是原子的
内存可见性
指令重排序

eg：线程不安全例子

public class Demo14 {

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //创建两个线程，分别对同一个变量进行5w次 ++ 操作
        //最终主线程打印结果
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count++;
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                count++;
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("count = " + count);
    }
}

使用两个线程分别对同一个变量进行5w次 ++ 操作，其结果应该为10w，但运行结果确像是一个<10w的随机值，这就是两个线程对同一变量修改的不安全。count++操作实际是三次指令，将内存值加载到cpu寄存器中，在cpu寄存器中对值进行计算，将寄存器再写入到内存中，由于是三次指令，可能在某一条指令时调度到别的线程，这样的调度穿插过程就可能出现线程安全问题。

2.1 保证线程安全的方法 - 锁

2.1.1 synchronized 关键字 - 监视器锁

锁当前对象

synchronized (obj){
    代码块  
}

（括号中的对象：从语法角度来说可以是任何对象，只要是Object的实例即可；从语义角度来说，两个线程填写相同的对象才会有锁竞争，才会有阻塞效果。）

要点：

进入synchronized { 中的代码块就是加锁，退出 } 就是解锁
加锁操作是防止其他线程" 插队 "，不影响本线程调度出cpu
锁对象，两个线程针对同一个对象加锁才会有锁竞争，锁不同的对象则不会有。

2.1.2 synchronized 的其他写法

修饰一个实例方法

synchronized public void add(){
            count++;
    }

public void add(){
    synchronized(this){
        count++;
    }
}

此时锁的this对象就是调用add方法的对象

修饰一个静态方法（针对类对象）

private static void add(){
        synchronized (Demo16.class){
            count++;
        }
    }

无论哪种写法，synchronized 方法针对啥对象加锁不重要，重要的是两个线程是否针对同一个对象加锁！

2.1.3 synchronized 不存在死锁情况

synchronized 对同一线程具有可重入性，不会存在把自己锁死的情况。

理解锁死：一个线程加锁后没有释放锁就再次进行加锁，此时会产生阻塞等待，只到第一次的锁被释放。但是释放锁也是由该线程来完成的，此时该线程已经阻塞了无法进行释放锁，就会一直持续阻塞，此时逻辑就会"卡死"，形成死锁。
但是Java中的synchronized 并没有上面的情况，如果第一次加锁成功后，在进行第二次加锁，synchronized 内部会判定第二次加锁的线程是否和第一次加锁是同一个线程，如果是同一个，第二次加锁相当于直接跳过，不做任何处理；如果不是同一个线程，第二次加锁才会真正生效。

死锁的场景：

一个线程一把锁，连续加锁两次（可重入锁直接解决）
两个线程两把锁，相互获取对方的锁（eg：车钥匙锁屋子里，屋钥匙锁车里）
n个线程m把锁

死锁的四个必要条件（打破任意一个就可以避免死锁）

锁是互斥的（对于synchronized来说改不了）
锁不可被抢占（对于synchronized来说改不了）
请求和保持例：A线程在获取到locker1的情况下,保持持有locker1的状态（不释放），再尝试获取locker2.
循环等待 / 环路等待

如何避免死锁？打破请求和保持：在代码中尽量避免锁的嵌套打破循环等待：约定加锁的顺序（把锁进行编号，约定任何一个线程多把锁的时候，都需要按照标号从小到大的顺序来加锁）

2.2 volatile 关键字

volatile 能够保证内存可见性

内存可见性是由于编译器优化导致的，编译器优化又是什么：举个例子，在程序员中写代码的水平是参差不齐的，而写的差占据多数因此就在编译器中加入了”优化机制“，编译器自动分析这一部分代码逻辑，保持代码逻辑不变的前提下，自动修改代码内容，让代码变得更加的高效。

eg：

public class Demo18 {
    private static int flag = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (flag == 0){

            }
            System.out.println("t1 结束");
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("输入 flag 的值");
            flag = scanner.nextInt();
            System.out.println("t2 结束");
        });
        
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

为什么这个代码在t2线程修改了flag的值，但是t1线程并没有结束：站在cpu指令的角度，，首先load操作从内存读取flag的值到寄存器中，然后比较寄存器和0的值是否相同，如果相同继续执行；不相同使用跳转语句跳转到指定位置。load操作的开销远远大于比较的开销。在比较处，编译器发现flag每次读到的都是相同的值，且1s足以让这个循环执行上万次，编译器也并没有发现哪里在修改。虽然在另一个线程中有修改，但编译器无法分析出另一个线程的执行时机，此时编译器就做了一个大胆的决定，把load的操作给优化掉了，所以后续的循环都是从寄存器/缓存中读取flag的值，提高效率，因此即使在t2中修改了flag的值，t1线程也无法感知到。

解决方案：使用volatile 关键字修饰某个变量，此时编译器就知道这个变量" 易变 "，后续编译器针对这个变量的读写操作就不会涉及到优化了。

volatile 并没有互斥 / 原子性，适用于一个线程读，一个线程写的情况。无法应对两个线程同时写的情况。虽然和synchronized都是解决线程安全问题，但和synchronized解决的是两种不同的问题。

public class Demo18 {
    private static int flag = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (flag == 0){
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            System.out.println("t1 结束");
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            Scanner scanner = new Scanner(System.in);
            System.out.println("输入 flag 的值");
            flag = scanner.nextInt();
            System.out.println("t2 结束");
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

加上sleep(1)后为什么代码又可以正确执行了，并不是sleep解决了内存可见性。而是因为本质上内存可见性是由编译器优化带来的，因为引入了sleep，这个代码中的load操作没有被编译器优化掉，因为sleep背后是非常多的指令，消耗的时间比load读取一次多得多，所以即使优化掉load操作也没什么太大作用。所以是sleep影响到了编译器优化，因此内存可见性没有了。

三、wait 和 notify

多线程之间是随机调度的，执行顺序难以知道，而有时我们又希望能够确定多个线程之间的先后执行顺序，而join方法只能确定线程的结束顺序，此时就需要用到wait和notify方法。除此之外，wait和notify还可以解决"线程饿死"问题。 wait()，notify()，notifyAll() 都是Object 类的方法。

3.1 wait 方法

wait 方法让当前线程进入等待状态；wait方法必须搭配synchronized来使用。 wait做的三件事情：

释放当前的锁
等待其他线程的通知（进入阻塞状态）
当通知到达后，从阻塞状态回归到就绪状态，并且重新获取到锁。 1和2之间必须是原子性的

3.2 notify 方法

notify 方法是唤醒等待的线程。该方法用来通知那些可能等待该对象的线程，对其发出通知并使他们重新获取该对象的锁。如果有多个线程等待，则随机挑选一个wait 状态的线程；在notify 方法后并不会马上释放该对象锁，而是要等待执行notify 方法线程将程序执行完也就是退出同步代码块才会释放对象锁。

public class Demo20 {
    public static void main(String[] args) {

        Object locker1 = new Object();
        Object locker2 = new Object();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker1){
                System.out.println("t1 wait 之前");
                try {
                    locker1.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                System.out.println("t1 wait 之后");
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker1){
                System.out.println("t2 notify 之前");
                locker1.notify();
                System.out.println("t2 notify 之后");
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

notifyAll 方法：notify方法只是唤醒某⼀个等待线程. 使用notifyAll方法可以⼀次唤醒所有的等待线程。