Java 多线程安全问题简单切入详细解析

线程安全

假如Java程序中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行一部分的代码。如果说该Java程序每次运行的结果和单线程的运行结果是一样的，并且其他的变量值也都是和预期的结果是一样的，那么就可以说线程是安全的。

解析什么是线程安全：卖电影票案例

假如有一个电影院上映《葫芦娃大战奥特曼》，售票100张（1-100号），分三种情况卖票：

情况1

该电影院开设一个售票窗口，一个窗口卖一百张票，没有问题。就如同单线程程序不会出现安全问题一样。

情况2

该电影院开设n（n>1）个售票窗口，每个售票窗口售出指定号码的票，也不会出现问题。就如同多线程程序，没有访问共享数据，不会产生问题。

情况3

该电影院开设n（n>1）个售票窗口，每个售票窗口出售的票都是没有规定的（如：所有的窗口都可以出售1号票），这就会出现问题了，假如三个窗口同时在卖同一张票，或有的票已经售出，还有窗口还在出售。就如同多线程程序，访问了共享数据，会产生线程安全问题。

卖100张电影票Java程序实现：出现情况3类似情况

public class MovieTicket01 implements Runnable {

    /**
     * 电影票数量
     */
    private static int ticketNumber = 100;

    /**
     * 在实现类中重写Runnable接口的run方法，并设置此线程要执行的任务
     */
    @Override
    public void run() {
        // 设置此线程要执行的任务
        while (ticketNumber > 0) {
            // 提高程序安全的概率，让程序睡眠10毫秒
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 电影票出售
            System.out.println("售票窗口（" + Thread.currentThread().getName() + "）正在出售：" + MovieTicket01.ticketNumber + "号电影票");
            ticketNumber --;
        }
    }
}

// 测试
public class Demo01MovieTicket {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 Runnable接口的实现类对象。
        MovieTicket01 movieTicket = new MovieTicket01();

        // 创建Thread类对象，构造方法中传递Runnable接口的实现类对象(三个窗口)。
        Thread window0 = new Thread(movieTicket);
        Thread window1 = new Thread(movieTicket);
        Thread window2 = new Thread(movieTicket);

        // 设置一下窗口名字，方便输出确认
        window0.setName("window0");
        window1.setName("window1");
        window2.setName("window2");

        // 调用Threads类中的start方法，开启新的线程执行run方法
        window0.start();
        window1.start();
        window2.start();
    }
}

控制台部分输出：
售票窗口（window0）正在出售：100号电影票
售票窗口（window2）正在出售：99号电影票
售票窗口（window1）正在出售：100号电影票
售票窗口（window0）正在出售：97号电影票
售票窗口（window2）正在出售：97号电影票
售票窗口（window1）正在出售：97号电影票
售票窗口（window1）正在出售：94号电影票
售票窗口（window2）正在出售：94号电影票
.
.
.
.
.
.
售票窗口（window0）正在出售：7号电影票
售票窗口（window2）正在出售：4号电影票
售票窗口（window0）正在出售：4号电影票
售票窗口（window1）正在出售：2号电影票
售票窗口（window1）正在出售：1号电影票
售票窗口（window2）正在出售：0号电影票
售票窗口（window0）正在出售：-1号电影票

可以看到，三个窗口（线程）同时出售不指定号数的票（访问共享数据），出现了卖票重复，和出售了不存在的票号数（0、-1）

Java程序中为什么会出现这种情况

1. 在CPU线程的调度分类中，Java使用的是抢占式调度。
2. 我们开启了三个线程，3个线程一起在抢夺CPU的执行权，谁能抢到谁就可以被执行。
   
3. 从输出结果可以知道，刚开始抢夺CPU执行权的时候，线程0（window0窗口）先抢到，再到线程1（window1窗口）抢到，最后线程2（window2窗口）才抢到。
   
4. 那么为什么100号票已经在0号窗口出售了，在1号窗口还会出售呢？其实很简单，线程0先抢到CPU执行权，于是有了执行权后，他就开始嚣张了，作为第一个它通过while判断，很自豪的拿着ticketNumber = 100进入while里面开始执行。
   
5. 可线程0是万万没有想到，这时候的线程1，在拿到执行权后，在线程0刚刚实现print语句还没开始ticketNumber --的时候，线程1以ticketNumber = 100跑进了while里面。
6. 线程2很遗憾，在线程0执行了ticketNumber --了才急匆匆的进入while里面，不过它也不甘落后，于是拼命追赶。终于，后来居上，在线程1还没开始print的时候，他就开始print了。于是便出现了控制台的前三条输出的情况。

   售票窗口（window0）正在出售：100号电影票
   售票窗口（window2）正在出售：99号电影票
   售票窗口（window1）正在出售：100号电影票

   window0、window1、window2分别对应线程0、线程1、线程2

7. 以此类推，直到最后程序执行完毕。

解决情况3的共享数据问题

通过线程的同步，来解决共享数据问题。有三种方式，分别是同步代码块、同步方法、锁机制。

同步代码块

public class MovieTicket02 implements Runnable {

    /**
     * 电影票数量
     */
    private static int ticketNumber = 100;

    /**
     * 创建锁对象
     */
    Object object = new Object();

    /**
     * 在实现类中重写Runnable接口的run方法，并设置此线程要执行的任务
     */
    @Override
    public void run() {
        // 设置此线程要执行的任务
        synchronized (object) {
            // 把访问了共享数据的代码放到同步代码中
            while (ticketNumber > 0) {
                // 提高程序安全的概率，让程序睡眠10毫秒
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 电影票出售
                System.out.println("售票窗口（" + Thread.currentThread().getName() + "）正在出售：" + MovieTicket02.ticketNumber + "号电影票");
                ticketNumber --;
            }
        }
    }
}

// 进行测试
public class Demo02MovieTicket {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 Runnable接口的实现类对象。
        MovieTicket02 movieTicket = new MovieTicket02();

        // 创建Thread类对象，构造方法中传递Runnable接口的实现类对象(三个窗口)。
        Thread window0 = new Thread(movieTicket);
        Thread window1 = new Thread(movieTicket);
        Thread window2 = new Thread(movieTicket);

        // 设置一下窗口名字，方便输出确认
        window0.setName("window0");
        window1.setName("window1");
        window2.setName("window2");

        // 调用Threads类中的start方法，开启新的线程执行run方法
        window0.start();
        window1.start();
        window2.start();
    }
}

控制台输出：
售票窗口（window0）正在出售：100号电影票
售票窗口（window0）正在出售：99号电影票
售票窗口（window0）正在出售：98号电影票
售票窗口（window0）正在出售：97号电影票
售票窗口（window0）正在出售：96号电影票
.
.
.
.
.
.
售票窗口（window0）正在出售：5号电影票
售票窗口（window0）正在出售：4号电影票
售票窗口（window0）正在出售：3号电影票
售票窗口（window0）正在出售：2号电影票
售票窗口（window0）正在出售：1号电影票

这时候，控制台不再出售不存在的电影号数以及重复的电影号数了。

通过代码块中的锁对象，可以使用任意的对象。但是必须保证多个线程使用的锁对象是同一。锁对象作用：把同步代码块锁住，只让一个线程在同步代码块中执行。

总结：同步中的线程，没有执行完毕，不会释放锁，同步外的线程，没有锁，进不去同步。

同步方法

public class MovieTicket03 implements Runnable {

    /**
     * 电影票数量
     */
    private static int ticketNumber = 100;

    /**
     * 创建锁对象
     */
    Object object = new Object();

    /**
     * 在实现类中重写Runnable接口的run方法，并设置此线程要执行的任务
     */
    @Override
    public void run() {
        // 设置此线程要执行的任务
        ticket();
    }

    public synchronized void ticket() {
        // 把访问了共享数据的代码放到同步代码中
        while (ticketNumber > 0) {
            // 提高程序安全的概率，让程序睡眠10毫秒
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 电影票出售
            System.out.println("售票窗口（" + Thread.currentThread().getName() + "）正在出售：" + MovieTicket03.ticketNumber + "号电影票");
            ticketNumber --;
        }
    }
}

测试与同步代码块一样。

锁机制（Lock锁）

在Java中，Lock锁机制又称为同步锁，加锁public void lock()，释放同步锁public void unlock()。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class MovieTicket05 implements Runnable {

    /**
     * 电影票数量
     */
    private static int ticketNumber = 100;

    Lock reentrantLock = new ReentrantLock();

    /**
     * 在实现类中重写Runnable接口的run方法，并设置此线程要执行的任务
     */
    @Override
    public void run() {
        // 设置此线程要执行的任务
        while (ticketNumber > 0) {
            reentrantLock.lock();
            // 提高程序安全的概率，让程序睡眠10毫秒
            try {
                Thread.sleep(10);
                // 电影票出售
                System.out.println("售票窗口（" + Thread.currentThread().getName() + "）正在出售：" + MovieTicket05.ticketNumber + "号电影票");
                ticketNumber --;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                reentrantLock.unlock();
            }
        }
    }
}

// 测试

public class Demo05MovieTicket {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个 Runnable接口的实现类对象。
        MovieTicket05 movieTicket = new MovieTicket05();

        // 创建Thread类对象，构造方法中传递Runnable接口的实现类对象(三个窗口)。
        Thread window0 = new Thread(movieTicket);
        Thread window1 = new Thread(movieTicket);
        Thread window2 = new Thread(movieTicket);

        // 设置一下窗口名字，方便输出确认
        window0.setName("window0");
        window1.setName("window1");
        window2.setName("window2");

        // 调用Threads类中的start方法，开启新的线程执行run方法
        window0.start();
        window1.start();
        window2.start();
    }
}

控制台部分输出：
售票窗口（window0）正在出售：100号电影票
售票窗口（window0）正在出售：99号电影票
售票窗口（window0）正在出售：98号电影票
售票窗口（window0）正在出售：97号电影票
售票窗口（window0）正在出售：96号电影票
.
.
.
.
.
.
售票窗口（window1）正在出售：7号电影票
售票窗口（window1）正在出售：6号电影票
售票窗口（window1）正在出售：5号电影票
售票窗口（window1）正在出售：4号电影票
售票窗口（window1）正在出售：3号电影票
售票窗口（window2）正在出售：2号电影票
售票窗口（window1）正在出售：1号电影票

与前两种方式不同，前两种方式，只有线程0能够进入同步机制执行代码，Lock锁机制，三个线程都可以进行执行，通过Lock锁机制来解决共享数据问题。

Java 多线程安全问题就到这里了，如果有什么不足、错误的地方，希望大佬们指正。