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【Java】多线程-线程安全问题【主线学习笔记】

🕗 发布于 2024-11-13 09:04 java  学习  笔记  

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前言

Java是一门功能强大且广泛应用的编程语言，具有跨平台性和高效的执行速度，广受开发者喜爱。在接下来的学习过程中，我将记录学习过程中的基础语法、框架和实践技巧等，分享学习心得，对自己学习过程进行整理和总结，也希望能为其他学习Java的朋友提供一些帮助和参考。

线程安全问题-后续修改

在 Java 中，线程安全问题主要出现在多线程并发执行时，多个线程共享数据或资源的情况下。如果对共享资源的访问没有得到适当的同步控制，可能会导致不可预知的结果，例如数据不一致、程序行为异常等。常见的线程安全问题包括：

1. 竞态条件（Race Condition）

竞态条件是指多个线程同时访问和修改共享资源时，执行顺序的不确定性导致程序产生错误。例如，一个线程在读取某个值时，另一个线程可能已经修改了该值，导致结果不正确。

解决方法：

  • 同步（Synchronization）：通过使用 synchronized 关键字或 Lock 接口来确保某一时刻只有一个线程能访问共享资源。例如：

    synchronized (object) {
    // 对共享资源的操作
}

  • 原子操作（Atomic Operations）：使用 java.util.concurrent.atomic 包中的类（如 AtomicInteger、AtomicBoolean 等），提供了原子操作，避免了竞态条件。

  • volatile 关键字：对变量使用 volatile 关键字，可以确保对该变量的修改会立即被其他线程可见，避免缓存导致的可见性问题。

2. 可见性问题（Visibility Issues）

在多线程环境下，由于线程对共享变量的缓存机制，一个线程对变量的修改在其他线程中可能不可见。例如，当一个线程修改了变量的值，另一个线程仍然看到旧的缓存值。

解决方法：

  • volatile 关键字：使用 volatile 修饰变量，保证修改后的值对所有线程立即可见。
  • 同步（Synchronization）：同步不仅能保证原子性，还能保证线程之间的内存可见性。

3. 原子性问题（Atomicity Issues）

某些操作看似简单，但实际上并不是原子操作。例如，i++ 看起来像是一个简单的递增操作，但它分为读取、修改和写入三个步骤。在多线程环境中，这些步骤可能被其他线程打断，从而导致操作不一致。

解决方法：

  • 同步（Synchronization）：通过 synchronized 或 Lock 来确保线程对共享变量的操作是原子的。
  • 使用原子类（Atomic Classes）：如 AtomicInteger，它提供了线程安全的原子操作。

4. 死锁（Deadlock）

当两个或多个线程互相等待对方持有的锁时，就会发生死锁。此时，所有涉及的线程都无法继续执行，程序陷入僵局。

解决方法：

  • 避免嵌套锁：尽量减少线程之间互相锁住的情况，避免使用嵌套锁。
  • 锁的顺序：确保所有线程按照相同的顺序获得锁，这样可以避免环形等待。
  • 使用 tryLock()：Lock 接口提供了 tryLock() 方法，在无法获得锁时线程不会被阻塞，从而避免死锁。

5. 活锁（Livelock）

与死锁类似，活锁指的是线程之间互相响应对方的动作，从而无法取得进展。线程虽然没有阻塞，但由于不断调整状态，也永远无法完成任务。

解决方法：

  • 引入随机等待：在处理冲突时，可以引入随机等待时间，避免线程之间的频繁冲突和重试。

6. 线程饥饿（Starvation）

当某些线程得不到执行的机会，或者低优先级线程一直被高优先级线程抢占资源，导致长时间无法获取资源时，就会出现线程饥饿。

解决方法：

  • 公平锁（Fair Lock）：使用 ReentrantLock 时，可以通过传递 true 参数来创建一个公平锁，确保等待时间最长的线程优先获得锁。
    Lock lock = new ReentrantLock(true);  // 公平锁

7. 上下文切换过多（Excessive Context Switching）

在高并发情况下，频繁的线程切换会消耗大量的 CPU 资源。每次切换时，系统需要保存当前线程的状态，然后加载另一个线程的状态，这会导致性能下降。

解决方法：

  • 减少线程数：使用合理数量的线程，不要创建过多的线程。
  • 线程池（Thread Pool）：使用 Executors 提供的线程池，限制线程的数量，避免频繁的线程创建和销毁。
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

8. 栅栏（Barrier）问题

在多线程程序中，某些场景需要所有线程执行到某个点再一起继续执行（类似集合点），如果有线程迟迟未到，可能导致整个程序卡住。

解决方法：

  • 使用 CyclicBarrier 或 CountDownLatch：这两个工具类可以协调多个线程的执行顺序，确保某些操作在多个线程达到某个条件时才开始。

解决线程安全问题的主要工具和技术：

  1. 同步机制：使用 synchronized、Lock 等同步机制来保证线程对共享资源的独占访问。
  2. 线程安全的集合类：如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等提供了线程安全的集合类，避免手动同步。
  3. 原子类：java.util.concurrent.atomic 包提供了原子操作的类，如 AtomicInteger、AtomicLong 等，避免同步开销。
  4. 线程池：通过线程池合理管理线程的创建和销毁，减少系统开销和频繁切换。
  5. 高阶同步工具：使用 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 等高阶同步工具来协调线程的执行。

通过了解并正确使用这些技术和工具，可以有效地避免 Java 程序中的线程安全问题，确保并发程序的正确性和性能。


原文地址：https://blog.csdn.net/CBCY_csdn/article/details/143134273

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