并发框架下的“基础类型”——浅析基本类型、ThreadLocal、原子类的线程安全机制-白红宇

并发框架下的“基础类型”——浅析基本类型、ThreadLocal、原子类的线程安全机制

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发布时间：2019-03-05

本文共 2688 字，大约阅读时间需要 8 分钟。

Java线程安全：从单线程到多线程的转变

在学习Java Web开发过程中，尤其是在接触Java线程开发时，常常会遇到一个令人困惑的问题：当多个线程调用同一个方法时，变量会如何变化？这个问题引出了线程安全的概念，包括原子性、有序性和可见性。但在实际开发中，如何选择合适的线程安全类型仍然是一个值得探讨的话题。

1. 阅读代码，理解线程安全问题

我们来看一段代码：

public class Main {    private static final int NUM = 1 << 20; // 定义一个大数 1M    private static ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();    private static int normalInt = NUM;    private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(NUM);    private static ThreadLocal
   
     localInt = ThreadLocal.withInitial(() -> NUM);    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(NUM);        long begin = System.currentTimeMillis(); // 计时开始        for (int i = 0; i < NUM; i++) {            threadPool.execute(() -> {                // 分别用对应方法迭减                normalInt--;                atomicInt.getAndAdd(-1);                localInt.set(localInt.get() - 1);                // latch计数                latch.countDown();            });        }        long time = System.currentTimeMillis() - begin; // 计时结束        latch.await(); // 等待任务完成切回主线程        System.out.println("Origin: 2^20 = " + NUM + " normal: " + normalInt                + " atomic: " + atomicInt.get() + " local: " + localInt.get());        System.out.println("time: " + time / 1000D + "s");        threadPool.shutdown();    }}

代码分析

代码背景：我们创建了1M个相同的任务，利用线程池进行多线程执行。每个任务都对三个成员变量分别进行递减操作。

预期结果：最后期望所有变量都变为0。

实际输出：

Origin: 2^20 = 1048576 normal: 3121 atomic: 0 local: 1048576time: 4.973s

2. 为什么基础类型int会输出非零？

线程安全问题的一个经典案例是基础类型变量的线程不安全。让我们分析一下原因。

原因分析

基础类型的迭减操作不是原子操作：迭减的本质是通过创建临时变量来存储“x-1”的结果，然后将这个值赋给x。这意味着迭减操作可以被分解为读取和写入操作。

线程冲突：假设有两个线程同时对同一个变量执行迭减操作：

线程A读取x，计算x-1，存为y1。

线程B读取x，计算x-1，存为y2。

线程A将x写为y1。

线程B将x写为y2。

最终，x的值只会减少一次。这就是为什么我们会看到非零的输出。

测试结果解读

测试结果显示，基础类型的迭减操作在多线程环境下会出现3121次插入现象，导致最终变量未能成功减到0。这表明基础类型在并发环境下是不安全的。

3. ThreadLocal为什么没有改变？

ThreadLocal类型在我们的测试中没有显示出任何变化。这与ThreadLocal的本质密切相关。

ThreadLocal的工作原理

ThreadLocal内部维护了一个HashMap，每个访问ThreadLocal变量的线程都会分配到一个独立的拷贝。因此，主线程最后输出的值实际上没有被任何工作线程修改过，仍然保持原值。

ThreadLocal与局部变量的区别

局部变量：存储在JVM的栈区，属于线程私有。

ThreadLocal：存储在堆区，每个线程有自己的独立拷贝。

ThreadLocal的优势在于它可以统一管理共享类任务中的变量，避免了传统的锁同步编程的复杂性。

4. 原子类型的线程安全

原子类型提供了更高的线程安全性。例如，AtomicInteger的实现源代码如下：

private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();private volatile int value;public final int getAndAdd(int delta) {    return U.getAndAddInt(this, 0, delta);}

原子类型的实现细节

volatile关键字：确保变量的可见性。

Unsafe类：利用低层级操作（CAS+自旋）实现原子性。

原子类型的优势在于其内部使用乐观锁机制，性能通常优于传统的锁同步编程。从敏捷开发的角度来看，原子类型在并发环境下的表现更为出色。

总结

通过以上分析，我们可以得出以下结论：

基础类型在并发环境下不安全：需要结合锁机制或原子类型进行保护。

ThreadLocal适用于共享类任务：提供更高级的线程管理。

原子类型提供了更高的线程安全性：适用于需要原子性和可见性的场景。

在实际开发中，选择合适的线程安全类型取决于具体需求。无论是基础类型+锁，还是原子类型，都有其适用的场景。

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