线程安全

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线程安全（Thread Safety）是指一段代码或数据结构在多个线程并发访问时，仍能保证行为正确、数据一致，不会因为竞争条件（race condition）导致错误。

核心问题：为什么需要线程安全？

多个线程共享同一块内存。当它们同时读写同一变量时，结果取决于执行顺序——这种不确定性叫竞态条件。

经典例子：两个线程同时对 counter 做 +1：

Thread A: 读取 counter = 0
Thread B: 读取 counter = 0
Thread A: 写入 counter = 1
Thread B: 写入 counter = 1   ← 期望是 2，实际是 1

这就是丢失更新（lost update），是线程不安全的典型表现。

实现线程安全的常见手段

互斥锁（Mutex）

同一时刻只允许一个线程访问临界区：

import threading
lock = threading.Lock()

def increment():
    with lock:
        counter += 1  # 受保护

原子操作（Atomic Operations）

硬件层面保证不可分割的操作，无需加锁，性能更好：

// C11 / GCC
atomic_fetch_add(&counter, 1);

不可变数据（Immutability）

只读数据天然线程安全，无需同步。函数式编程鼓励这种风格。

线程局部存储（Thread-Local Storage）

每个线程有自己的变量副本，互不干扰：

local = threading.local()
local.value = 42  # 各线程独立

无锁数据结构（Lock-Free Structures）

利用 CAS（Compare-And-Swap）等原子指令实现，避免锁的开销。

线程安全的三个属性

属性	含义
原子性	操作要么完整执行，要么不执行
可见性	一个线程的修改对其他线程立即可见
有序性	指令执行顺序符合预期（防止编译器/CPU重排）

一个直觉

线程安全的本质是控制共享状态的访问顺序。能不共享就不共享，必须共享时再考虑同步机制。