理解线程不安全：从观察到原因分析

一、观察线程不安全

public class UnsafeCounter { private static int counter = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread[] threads = new Thread[10]; for (int i = 0; i < 10; i++) { threads[i] = new Thread(() -> { for (int j = 0; j < 100000; j++) { counter++; } }); threads[i].start(); } for (Thread t : threads) { t.join(); } System.out.println(counter); } }

如果你运行这个代码多次，你可能会发现输出结果总不是1000000。这是因为 counter++ 操作在 JVM 字节码中不是原子性的：它涉及读取值、递增、写回三个步骤。在多线程并发时，这些步骤可能被交织，导致数据丢失。

二、 线程不安全的概念

三、线程不安全的原因

3.1线程调度是随机的

随机调度会导致一个程序在多线程的环境下，执行顺序会有很多变数，这是线程安全的罪魁祸首。

3.2修改共享数据

在多线程中，多个线程可能会修改同一个数据，这个共享数据就会导致线程不安全。

3.3原子性

原子性指的是一个操作（或一系列操作）被视为不可分割的整体：它要么完全执行成功，要么完全不执行，不能被中断或部分执行。

就如上面所说，count++在JVM字节码中就分解为(读取、递增和写回)，如果在执行步骤期间切换线程就会出错。

3.4可见性

可见性指一个线程对共享变量的修改，其他线程能否立即看到。在 JVM 中，由于线程本地缓存和 CPU 缓存，一个线程的修改可能不立即刷新到主内存。

java内存模型

• 线程之间的共享变量存在主内存
• 每一个线程都有自己的"工作内存"
• 当线程要读取一个共享变量的时候，会把变量从主内存拷贝到工作内存，再从工作内存读取数据
• 当线程要修改一个共享变量的时候，也会修改内存中的副本，再同步回主内存

3.5指令重排序

3.5.1什么是指令重排序

指令重排序是指程序代码在源代码中的书写顺序，与实际执行时的顺序不一致的现象。这不是bug，而是为了优化执行效率而设计的特性。在Java中，这与Java内存模型（Java Memory Model，JMM）密切相关。JMM定义了线程如何通过内存交互，包括可见性、原子性和有序性（ordering）。有序性问题正是由指令重排序引起的。

3.5.2指令重排序的原因

主要目的是性能优化：

• 减少等待时间
• 缓存利用
• 编译器优化

3.5.3示例

boolean flag = false; int data = 0; // 线程1 data = 42; flag = true; // 线程2 while (!flag) {} System.out.println(data); // 可能打印0

重排序可能先设置flag=true，再写data，导致线程2看到flag=true但data=0。