简述线程安全问题及同步机制

1.介绍

线程安全问题是在多线程编程中常见的一类问题，指的是当多线程同时访问共享资源时，可能出现数据竞争、死锁等问题，导致程序运行出错或异常。

2.常见问题

（1）数据竞争：当多个线程同时访问同一个资源时，会导致数据不一致，比如在多线程环境下，多条线程同时修改同一个变量，可能导致该变量值不可测。

（2）死锁：多线程间同时等待对方释放资源，导致程序无法继续运行，进入死锁状态。

（3）非原子操作：某些操作需要多条指令才能完成，如果多条线程同时执行这些操作，就会出现部分执行的情况，导致程序结果不正确。

（4）内存泄漏：由于程序设计不当，可能出现内存无法回收的情况，导致内存泄漏。

3.解决方法：使用线程同步机制

（1）同步代码块：

synchronized(监视器（对象锁）){
//需要同步的代码...

}

（2）同步方法：

public synchronized void 方法名(){
//需要同步的代码...

}

(3)注意：

a.监视器（对象锁）可以是任何一个对象，但在并发线程中使用的监视器（对象锁）必须是同一个对象。

b.可以这样理解：每条线程都有一扇访问共享资源的门，但开门的钥匙也就是监视器（对象锁）只有一把，这样就保证了同一时间只有一条线程能访问共享资源。

c.同步方法中synchronized的监视器固定为当前类的对象 this 。也因此，若想在线程类中使用同步方法，只能用implements Runnable，而不能extends Thread：因为implements Runnable后若想使用多线程，只需创建一个该线程类对象和多个Thread类对象，这样就保证了该线程类的this只有一个；但extends Thread后若想使用多线程，需创建多个该线程类对象，此时该线程类中的this就有多个，不符合监视器的要求。

d.同步机制虽然避免了线程安全的问题，但也降低了线程并发的效率。

4.实践

我们以一个售票系统为例子理解线程安全和同步机制。

package ThreadSafe;

public class TicketSystem {
	//售票系统
	public int tickets = 100;//总票数是100
}

package ThreadSafe;
	//买票线程
public class TicketThread extends Thread{
	public TicketSystem ts;//售票系统
	//初始化售票系统
	public TicketThread(TicketSystem ts) {
		this.ts = ts;
	}
	public void run() {
		for(int i=0;i<50;i++) {
			try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"买到票："+ts.tickets);//输出当前线程所买到的票序
			ts.tickets--;//每售出一张票，总票数-1
		}
	}
}

package ThreadSafe;

public class Main {
	public static void main(String[]args) {
		TicketSystem ts = new TicketSystem();//售票系统
		TicketThread t1 = new TicketThread(ts);//购票线程
		t1.setName("线程A");
		t1.start();
		TicketThread t2 = new TicketThread(ts);
		t2.setName("线程B");
		t2.start();
	}
}

在上述代码中两线程同时买票，对tickets进行数据更改，在未使用同步机制的·情况下来看看运行结果：

可以看到结果中出现了两线程买到同一张票，且出现跳序的情况。

出现上述情况的原因可能是：

线程A在第一次执行ts.tickets--的这一步操作时，只完成了tickets-1这一运算操作，却还未更新tickets的值，就轮到线程B执行，导致线程B拿到的tickets仍为100，这便出现了两线程同时买到了第100张票的情况。然后线程B完成了ts.tickets--这一操作，此时tickets=99，再次轮到线程A，线程A在tickets=99的基础上更新了数据tickets = tickets-1，导致tickets直接变成98。

接下来我们先采用同步代码块对上述代码进行更改，由于在线程类中，售票系统ts只创建了一次，所以我们可以用ts作为synchronized的监视器。

public void run() {
		for(int i=0;i<50;i++) {
			try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
            //同步代码块
			synchronized(ts) {
				System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"买到    票："+ts.tickets);//输出当前线程所买到的票序
				ts.tickets--;//每售出一张票，总票数-1
			}
		}	
	}

输出结果：

成功解决问题。

接下来我们采用同步方法对上述代码进行修改，需将线程类改成implements Runnable

package ThreadSafe;
	//买票线程
public class TicketThread implements Runnable{
	public TicketSystem ts;//售票系统
	//初始化售票系统
	public TicketThread(TicketSystem ts) {
		this.ts = ts;
	}
	public void run() {
		for(int i=0;i<50;i++) {
			try {
				Thread.sleep(10);
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
			print();
		}	
	}
	//同步方法
	public synchronized void print() {
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"买到票："+ts.tickets);//输出当前线程所买到的票序
		ts.tickets--;//每售出一张票，总票数-1
	}
}

package ThreadSafe;

public class Main {
	public static void main(String[]args) {
		TicketSystem ts = new TicketSystem();//售票系统
		TicketThread t = new TicketThread(ts);//购票线程
		Thread t1 = new Thread(t);
		t1.setName("线程A");
		t1.start();
		Thread t2 = new Thread(t);
		t2.setName("线程B");
		t2.start();
	}
}

输出结果：

成功解决问题。

简述线程安全问题及同步机制

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