如何理解什么是线程安全？

原文：http://netsecurity.51cto.com/art/201901/591186.htm

 

什么是线程安全

线程安全在多线程编程时是一个比较重要的概念，我们下先来看下维基百科是如何定义这个概念的：

https://en.wikipedia.org/wiki/Thread_safety

• Thread safety is a computer programming concept applicable to multi-threaded code. Thread-safe code only manipulates shared data structures in a manner that ensures that all threads behave properly and fulfill their design specifications without unintended interaction.

意思是说：

线程安全是应用于多线程代码的一种计算机编程概念，它确保多个线程能够按照程序的设计正确的访问共享数据结构。

或者再贴近编程语言的角度一点来讲，线程安全指的是同时最少有两个及以上的线程操作共享的数据区域，并且至少有一个是写操作。如果你还想不明白，可以去卫生间观察一下，一个厕位同时能有几个人使用。

线程安全的级别

线程安全的级别或者粒度有三种，如下：

(1)线程安全

这种情况下其实没有线程安全问题，比如上面的例子中，每个人都有自己专用的卫生间，所以不会存在竞争问题。

(2)条件安全

条件安全，顾名思义是有条件的，所有人共用几个卫生间，抢到资源的就把门关上，通过门来隔离资源，后面的人就在外面等待直到里面的人出来。

(3)不安全

这种情况下连门都没有，所以并不能很好保证资源安全，所以这种情况最好不能让同时让多个人直接使用。

实现线程安全的方式

大体来说有两种，首先我们明白安全问题来自于竞争，没有竞争就不会有问题。

方式一：

核心思路是避免共享数据结构，共享状态。包括：

(1)使用线程local变量

(2)使用不可变对象

方式二：

核心思路是共享不可避免，需要通过条件来确保按照。包括：

(1)互斥锁

(2)CAS原子操作

Java语言里面实现策略

这里以Java语言为例子，上面谈到的4种方式，其实在Java里面都支持，分别对应的解决手段为：

(1)ThreadLocal变量

(2)不可变对象有String，CopyOnWrite集合类

(3) 互斥锁包括JDK5之前的内置锁synchronized和JDK5之后的Lock接口

(4) J.U.C里面Atom开头的类

可以看出来Java里面的处理策略还是比较多的，当然不同的策略其实也有具体的适用场景，此外引入了线程安全和同步手段会对代码的性能造成一定的影响，这一点需要了解。

一般来说避免共享数据结构是能够比较优雅的解决并发问题，这种程序对多线程更友好，性能也会更高。比如单机的ThreadLocal和分布式的Ator模型。这里面不存在竞争。其次是不可变变量，多线程操作的都是CopyOnWrite，这也是为什么一些动态编程语言如Scala里面的默认数据结构大多数都是不可变的。不可变有不可变的好处，但缺点也是明显的，如果需要频繁对数据修改，那么会创建很多临时对象和占用更多的内存。

上面这两种场景，我们一般称为无锁实现，性能很好。如果避免不了共享数据，那么接着性能比较好的就是CAS这种原子操作，这种情况下我们一般也称是无锁的，但其实是利用了操作系统的原子指令来实现的，在竞争不激烈的场景下性能比较好，一般的编程语言都有封装好的工具类。如果竞争激烈，其实性能未必比使用互斥锁高。互斥锁一般也称重量级锁，需要OS干涉线程的调度，适合用于竞争激烈的场景下，这种方式下线程上下文的交换会降级系统的性能，在使用时需要注意。