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news 2025/11/7 4:30:42
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1. 什么是线程安全？

线程安全 指的是在多线程环境下，某个类、方法或对象能够正确、一致地处理共享数据，无需额外的同步机制即可保证：

  • 原子性（Atomicity）：操作不可分割，要么全部完成，要么全部不执行。

  • 可见性（Visibility）：一个线程修改共享变量后，其他线程能立即看到最新值。

  • 有序性（Ordering）：代码执行顺序符合预期，避免指令重排序导致的逻辑错误。

线程不安全的典型表现：

  • 数据竞争（Data Race）：多线程同时修改共享变量导致结果不可预测。

  • 脏读（Dirty Read）：读取到其他线程未完成的中间状态数据。

  • 死锁（Deadlock）：多个线程互相等待对方释放锁，导致永久阻塞。

2. Java 中如何实现线程安全？

以下是 Java 中实现线程安全的 7 种核心方法，每种方法均附有代码示例和适用场景。

2.1 使用 synchronized 关键字

原理：通过 JVM 内置锁（Monitor）实现互斥访问，确保同一时间只有一个线程执行临界区代码。
示例：

java

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public class Counter {private int count = 0;// 同步方法public synchronized void increment() {count++;}// 同步代码块public void incrementWithBlock() {synchronized (this) {count++;}}
}

适用场景：

  • 简单的同步需求（如单例模式、计数器）。

  • 对性能要求不高，优先保证代码简洁性。

2.2 使用 ReentrantLock 显式锁

原理：基于 java.util.concurrent.locks.ReentrantLock，提供比 synchronized 更灵活的锁控制（如可中断、超时、公平锁）。
示例：

java

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public class Counter {private int count = 0;private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void increment() {lock.lock();try {count++;} finally {lock.unlock();}}
}

适用场景：

  • 需要高级锁功能（如 tryLock()、lockInterruptibly()）。

  • 高并发场景下的细粒度锁控制。

2.3 使用原子类（Atomic Classes）

原理：基于 CAS（Compare-and-Swap）实现无锁线程安全操作，适用于简单原子操作。
示例：

java

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public class Counter {private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public void increment() {count.incrementAndGet(); // 原子递增}
}

适用场景：

  • 单一变量的原子操作（如计数器、标志位）。

  • 低竞争场景，避免锁开销。

2.4 使用 volatile 关键字

原理：保证变量的可见性和禁止指令重排序，但不保证原子性。
示例：

java

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public class VolatileExample {private volatile boolean flag = false;public void toggleFlag() {flag = !flag; // 非原子操作，需配合 synchronized 或原子类使用}
}

适用场景：

  • 状态标志（如开关控制），一写多读场景。

  • 配合其他机制（如 synchronized）保证复合操作的原子性。

2.5 使用不可变对象（Immutable Objects）

原理：对象创建后状态不可变，天然线程安全。
示例：

java

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public final class ImmutablePerson {private final String name;private final int age;public ImmutablePerson(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}// 无 setter 方法public String getName() { return name; }public int getAge() { return age; }
}

适用场景：

  • 配置信息、常量等只读数据。

  • 避免深拷贝或防御性拷贝的开销。

2.6 使用线程封闭（Thread Confinement）

原理：通过 ThreadLocal 为每个线程创建独立的变量副本，避免共享。
示例：

java

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public class UserContext {private static ThreadLocal<User> userHolder = new ThreadLocal<>();public static void setUser(User user) {userHolder.set(user);}public static User getUser() {return userHolder.get();}
}

适用场景：

  • 用户会话、数据库连接等线程隔离数据。

  • 避免传递参数的繁琐性。

2.7 使用并发容器（Concurrent Collections）

原理：Java 提供线程安全的集合类，内部已实现同步机制。
示例：

java

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public class Cache {private ConcurrentHashMap<String, Object> map = new ConcurrentHashMap<>();public void put(String key, Object value) {map.put(key, value);}public Object get(String key) {return map.get(key);}
}

适用场景：

  • 高并发环境下的数据存储（如缓存、任务队列）。

  • 替代 Collections.synchronizedXXX() 提升性能。

3. 线程安全实现对比表

方法优点缺点适用场景
synchronized简单、自动释放锁功能单一、性能中等简单同步需求
ReentrantLock灵活（超时、中断、公平锁）需手动释放锁，代码复杂高并发、需要高级锁功能
原子类无锁、高性能仅支持单一变量原子操作计数器、标志位
volatile轻量级可见性保证不保证原子性状态标志、配合其他机制使用
不可变对象天然线程安全需要创建新对象配置信息、常量
ThreadLocal线程隔离、无竞争内存泄漏风险用户会话、线程上下文
并发容器高性能、内置同步功能受限高并发集合操作

4. 常见面试问题示例

Q1：synchronized 和 ReentrantLock 的区别？

  • synchronized 是 JVM 内置锁，自动释放；ReentrantLock 是 API 级锁，需手动释放。

  • ReentrantLock 支持可中断、超时、公平锁，synchronized 不支持。

Q2：volatile 能替代 synchronized 吗？

  • 不能。volatile 仅保证可见性和有序性，不保证原子性。例如 volatile int i = 0; i++ 是非原子操作。

Q3：如何设计一个线程安全的单例模式？

  • 双重检查锁（DCL） + volatile：

    java

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    public class Singleton {private static volatile Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

总结

实现线程安全的核心在于 控制共享数据的访问，具体方法需根据场景选择：

  • 简单同步 → synchronized

  • 高性能无锁 → 原子类

  • 复杂控制 → ReentrantLock

  • 状态标志 → volatile

  • 数据隔离 → ThreadLocal

  • 高并发集合 → 并发容器

理解线程安全的三要素（原子性、可见性、有序性）是解决多线程问题的关键。

测试用例：

package com.example.MySpringBootTest.test.threadsafe;import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class ThreadSafeExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {List<Integer> list = new ArrayList<>();Object lock = new Object();Thread thread = new Thread(() -> {synchronized (lock) {for (int i = 0; i < 1000; i++) {list.add(i);try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}});Thread thread1 = new Thread(() -> {synchronized (lock) {for (int i = 0; i < 500; i++) {if (!list.isEmpty()) {list.remove(0);}try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}}});thread.start();thread1.start();thread.join();thread1.join();System.out.println("列表最终大小: " + list.size());}
}

当没有用 synchronized 做锁排序时候，列表最终大小: 经常不等于500，浮现了非线程安全。加锁后，对并发线程做了串行化，列表最终大小: 500。

http://www.dtcms.com/a/576503.html

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