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Juc篇-线程安全问题引入（从i++问题的底层出发）

news 2025/11/15 8:21:14

在多线程编程中，线程安全是一个绕不开的核心概念。无论是业务代码的共享变量，还是系统级别的缓存、队列、对象状态管理，都需要思考：在并发环境下，代码还能否按照预期执行？

本文将从线程安全的本质开始，结合经典的 i++ 问题深入分析其本质原因，并总结 Java 中常用的三大解决手段（synchronized / Lock / ThreadLocal）的区别与适用场景。

一、什么是线程安全？

线程安全的本质是：

多个线程并发访问共享资源时，最终结果必须符合预期，不出现数据错误或逻辑混乱。

这背后有三个根源性问题：

1. 原子性（Atomicity）

操作是否不可分割？
例如：i++ 虽然是“一行代码”，但绝不是原子操作。

2. 可见性（Visibility）

一个线程修改变量后，其他线程能否立即看到？
例如：线程 A 改了 flag=true，线程 B 却一直看不到，造成死循环。

3. 有序性（Ordering）

代码实际执行顺序是否被重排序？
例如写入变量后立即读取，但 CPU 可能会优化导致顺序变化。

只要三个问题之一出现隐患，就会导致线程不安全。

二、经典案例：为什么 `i++` 在并发下是不安全的？

许多人以为 i++ 是简单语句，但 JVM 实际会将其拆解为多条字节码指令。

示例代码：

i++;

对应字节码流程如下：

getstatic i    // 读取静态变量 i
iconst_1       // 放常量 1
iadd           // 执行加法 (i+1)
putstatic i    // 写回静态变量 i

总共 4 步 —— 并非原子性！

为什么会出问题？

多线程执行时，线程切换可能发生在任何一步。

假设初始值 i = 0，线程 A 和线程 B 执行 i++：

线程 A：读取到 i=0
线程 B：也读取到 i=0
A 计算结果 1
B 计算结果 1
A 写回 1
B 写回 1

最终结果：i = 1（预期为 2）。

并发问题就出现了。

三、如何解决 i++ 的线程安全问题？

Java 提供三大类手段：

1. synchronized（JVM 关键字）

提供 原子性、可见性、有序性
通过对象锁实现互斥
写法简单、可靠，但阻塞开销较大

示例：

synchronized (this) {i++;
}

2. Lock（显式锁，如 ReentrantLock）

相比于 synchronized 的优势：

✔ 能中断
✔ 可超时
✔ 可以实现公平锁
✔ 支持条件变量
✔ API 更灵活

示例：

lock.lock();
try {i++;
} finally {lock.unlock();
}

3. 原子类（AtomicInteger 等）

基于 CAS（无锁方案），速度最快。

AtomicInteger i = new AtomicInteger();
i.incrementAndGet(); // 原子操作

四、ThreadLocal 到底是什么？它为什么不提供线程安全？

很多初学者以为 ThreadLocal 是“锁”或“线程安全工具”，其实不是。

ThreadLocal 的核心思想是：

让每个线程拥有变量的一个独立副本。避免共享，从而避免线程安全问题。

它不是保护共享资源，而是让每个线程独占数据。

典型使用场景：

每个线程独立的日期格式化器
每个线程独立的数据库连接
登录信息上下文（每线程独立 session）

ThreadLocal 不保证原子性/可见性，只是绕开共享。

五、三者之间的区别总结（核心对比）

特性	synchronized	Lock（ReentrantLock）	ThreadLocal
目的	保证共享数据互斥	更灵活的互斥控制	每线程独占数据
原理	JVM 内置锁	代码级锁，底层 AQS	每线程内部 Map 存副本
是否阻塞	是	是（可中断/可超时）	不阻塞
是否保证线程安全	是	是	本质上不保证，只是避免共享
使用复杂度	低	中	低
性能	中	中~高	高
适用场景	简单同步	复杂同步	不共享的线程本地变量

一句话总结：

synchronized：简单粗暴、安全
Lock：可控性强，适合复杂并发场景
ThreadLocal：不是锁，通过“避免共享”间接避免线程安全问题

六、整体的并发编程理解框架（送你一张图）

线程安全问题的本质在于：多个线程对共享资源的并发读写会导致指令交错，从而破坏原子性、可见性、有序性。
要么“锁住共享资源”（synchronized/Lock/原子类），
要么“避免共享”（ThreadLocal），
本质上都是围绕这三大问题进行解决。

整体框架如下：

线程安全本质问题├── 原子性问题 → i++ 被拆成 4 步├── 可见性问题 → 缓存导致线程读取旧值└── 有序性问题 → CPU/编译器重排序解决方案思路├── 保证互斥：synchronized / Lock├── 保证可见性：volatile（部分场景）├── 保证原子性：AtomicXX 原子类└── 避免共享：ThreadLocal