深入解析多线程原理：线程安全及其保证策略

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大家好，今天来为大家分享深入解析多线程原理：线程安全及其保证策略的一些知识点，和的问题解析，大家要是都明白，那么可以忽略，如果不太清楚的话可以看看本篇文章，相信很大概率可以解决您的问题，接下来我们就一起来看看吧！

为什么有多个线程？什么是线程安全？如何保证线程安全？

为什么会有多线程

显然，线程安全问题只会出现在多线程环境下，那么为什么会有多线程呢？

最早的计算机非常原始，没有操作系统。当人们要使用计算机时，首先将计算机可以执行的指令写在纸带上，然后让计算机从纸带上读取每条指令并依次执行。此时计算机一次只能执行一项任务，是纯粹的单线程。

这样的话，就出现了三个问题：

1. 计算资源的严重浪费计算机在执行任务时，总会有一些输入输出操作，比如计算结果的打印等，此时CPU只能等待输入输出完成。因此，往往一个任务执行完毕后，CPU可能大部分时间都处于空闲状态。当时CPU是一种非常昂贵的资源，于是人们就思考如何提高CPU的利用率？

2. 任务分配的不公平现在，如果我们有十个任务要执行，这很常见。计算机一次只能执行一项任务，直到执行结束，中间不能被中断。那么问题来了，我们是不是应该先执行张三交给的任务呢？还是先做李四的工作？张三和李四的优先级可能是一样的，所以无论任务如何分配，总会有人不满意，觉得不公平。

3. 程序编写十分困难计算机一次只能执行一项任务，因此在编写程序时，往往需要将大量的工作集成到一个程序中，这给程序员带来了很大的挑战。能否将程序写成模块，然后模块之间只进行必要的通信？

为了解决这些问题，计算机操作系统应运而生。操作系统是管理计算机硬件和软件资源的计算机程序。那么操作系统是如何同时执行多个任务的呢？操作系统为每个任务分配一个进程，然后给进程分配相应的计算资源、IO资源等，使进程能够执行。操作系统会控制多个进程之间的切换，为每个进程分配一定的执行时间，然后切换到另一个进程，这样多个进程就可以轮流交替执行。由于轮次很短，用户会感觉自己好像在垄断计算机资源来执行任务。

虽然该流程在一定程度上缓解了我们提到的三个问题，但仍然存在问题。让我举两个例子。一个例子是一个进程只能做一件事，或者进程中的代码是串行执行的。这有什么问题吗？当然有。例如，我们使用软件安装包来安装程序。在安装过程中，我们突然不想再安装了，然后点击取消按钮。结果我们发现程序并没有取消安装。为什么？由于该进程正在执行安装程序代码，因此在安装程序代码完成之前无法执行用户输入。所以你发现当进程响应你的取消安装的输入时，安装程序已经完成了。用专业的话说，用户界面的响应能力太差了。用户输入无法立即响应，界面甚至可能出现暂停状态。另一个例子是当今大多数处理器都是多处理器。例如，现在有一个双处理器，只有一个任务。那么这个任务只能由一个进程执行，而一个进程只能由一个处理器执行，那么就浪费了50%的计算资源。

这个时候就该说说线程了。线程是进程中进行调度和分派的基本单位。一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程；并且一个线程只能在一个进程的地址空间内活动。内存资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。 CPU被分配给线程，也就是说，线程实际上是在处理器上运行的。多线程的出现解决了我们之前提到的三个问题，但是多线程往往会带来很多意想不到的问题。这就是我们接下来要讲的线程安全。

什么是线程安全

在讲线程安全问题之前，先给大家举一个线程不安全的例子，直接上代码。

公开课测试{

私有静态int 计数；

私有静态类Thread1 扩展Thread {

公共无效运行（）{

for (int i=0; i 1000; i++) {

计数++；

尝试{

线程.sleep(1);

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

公共静态无效主（字符串[] args）抛出InterruptedException {

线程1 t1=新线程1();

线程1 t2=新线程1();

t1.start();

t2.start();

t1.join();

t2.join();

System.out.println(count);

}

}这段代码实现的逻辑非常简单。首先定义一个int类型的count变量，然后启动两个线程。每个线程执行循环1000次，并将循环中的计数加1。等待两个线程完成执行后，打印count的值。那么这段代码的输出是什么？很多人可能会说是2000，但是程序运行后发现结果很可能不是2000，而是一个比2000稍小的数字，比如1998，而且每次的结果可能都不一样跑步。

那么这是为什么呢？这是线程不安全的。线程安全是指在多线程环境下，程序始终能够执行正确的行为，符合预期的逻辑。例如，我们刚刚的程序有两个线程。每个线程累加count 变量1000 次。预期的逻辑是count累加2000次，但是代码执行的结果不是2000，所以是线程不安全的。

为什么不安全？因为count++指令在实际执行过程中并不是原子的，而是分为读、修改、写三个步骤；即先从内存中读取count的值，然后进行+1操作，然后将结果相加写回内存，如下图所示。

形象地说，这就是计算机中线程的实际执行过程。看起来好像没有什么问题。别着急，看另一张图。

图片你看到问题了吗？上图中，线程1执行了两次自增操作，线程2执行了一次自增操作，但是计数从6变成了8，只加了2。我们来看看为什么会出现这种情况。当线程1完成读取count的值到6后，切换到线程2执行。线程2也读取到count的值为6，然后进行更改写入操作，count的值变成7；这时，线程2切换回线程1，但是线程1中的count的值还是线程2中修改前的6，这就是问题所在！即线程2修改了count的值，但是这个修改对于线程1来说是不可见的，这就导致程序变得线程不安全，不符合我们期望的逻辑。

相信现在大家对于线程不安全已经有了一定的了解。现在我们来总结一下导致线程不安全的原因。主要有以下三点：