Java 线程安全技术笔记：以银行存取款为例

前言在我们开发关于程序的时候并发编程表面上同时进行实际上是cpu快速切换线程执行这就会产生线程安全问题多线程程序中多个线程可能同时操作同一份数据。要保证结果正确就需要理解共享数据、原子操作以及线程同步。本篇通过银行存取款的例子分析线程安全问题的产生原因和解决方法。1.什么是线程安全线程安全是指多个线程并发访问共享数据时无论执行顺序如何交错程序都能保持正确的结果。例如一个账户有 1000 元两个线程分别尝试取出 800 元。正确结果应该是一个线程取款成功。另一个线程因为余额不足而失败。最终余额为 200 元。如果两个线程都取款成功就说明程序没有正确协调对账户余额的访问。2.线程安全问题是怎样产生的publicvoidwithdraw(longmoney){if(balancemoney){balance-money;}}注意判断余额”和“扣款”是两个步骤线程执行到中间时其他线程可能插入操作账户余额为1000元线程A检查余额1000 800允许取款线程B检查余额1000 800允许取款线程A执行扣款线程B也执行扣款另外balance - money 本身也不是原子操作原子操作就是一个不可分割的操作其他线程不会观察到它“只完成了一半”的中间状态。它包含读取余额 → 计算新余额 → 写回余额因此实际错误结果可能随着线程执行顺序而变化。一行代码不一定是一个原子操作。count、count-- 同样包含读取、计算和写回的过程。3.使用 synchronized 保证同步synchronized 可以让使用同一把锁的线程互斥地执行同步代码。publicsynchronizedbooleanwithdraw(longmoney){if(money0){thrownewIllegalArgumentException(取款金额必须大于0);}if(balancemoney){returnfalse;}balance-money;returntrue;}线程进入这个实例同步方法之前需要先获得当前账户对象的锁。线程A获得账户锁-线程A检查余额并完成扣款-线程A退出同步方法释放-线程B获得账户锁-线程B检查扣款后的余额#需要注意synchronized 不保证线程不会被调度暂停。它保证的是线程持有锁时其他需要获取同一把锁的线程不能进入对应的同步区域。除了互斥同一把锁的释放和后续获取还提供了可见性保证使后续获得锁的线程能够看到之前的修改。4. 锁对象必须一致synchronized (obj) { … }, obj 指向的对象.实例方法加 synchronized, 当前实例 this静态方法加 synchronized, 所属类的 Class 对象在银行案例中多个任务必须共享同一个账户AccountaccountnewAccount(100_000);WithdrawTasktask1newWithdrawTask(account,80_000);WithdrawTasktask2newWithdrawTask(account,80_000);DepositTasktask3newDepositTask(account,50_000);存款和取款方法都定义在 Account 中并使用实例同步方法因此锁住的是同一个 account.如果把锁加在不同任务对象的 run() 方法上publicsynchronizedvoidrun(){// 操作共享账户}锁住的就是各自的任务对象。不同任务对象拥有不同的锁仅靠这些锁无法保护共享账户。5.同步范围要覆盖完整业务操作if(account.getBalance()money){account.deduct(money);}检查余额 → 判断能否取款 → 扣减余额.放在同一个同步方法或同步代码块中。6.银行案例的类职责1.Account:保存余额提供同步的存款、取款和查询方法publicclassAccount{privateintbalance;publicAccount(intinitialBalance){if(initialBalance0){thrownewIllegalArgumentException(初始余额不能为负数);}balanceinitialBalance;}2.DepositTask:实现 Runnable在 run() 中执行存款publicDepositTask(Accountaccount,intmoney){this.accountaccount;this.moneymoney;}publicvoidrun(){account.deposit(money);}}3.WithdrawTask:实现 Runnable在 run() 中执行取款publicWithdrawTask(Accountaccount,intmoney){this.accountaccount;this.moneymoney;}publicvoidrun(){account.withdraw(money);}}4.BankDemo:创建共享账户、任务和线程并启动程序WithdrawTasktask1newWithdrawTask(account,200);WithdrawTasktask2newWithdrawTask(account,300);DepositTasktask3newDepositTask(account,800);Threadthread1newThread(task1,取款线程1);Threadthread2newThread(task2,取款线程2);Threadthread3newThread(task3,存款线程3);thread1.start();thread2.start();thread3.start();thread1.join();thread2.join();thread3.join();7.run() 和 start() 的区别1.run() 定义任务内容start() 启动新线程。Threadt1newThread(task1,取款线程A);t1.start();调用 start() 后新线程会执行对应任务的 run()主线程可以继续向下执行。如果直接调用t1.run();对于这里创建的 Thread任务会由当前调用线程执行不会启动新线程。如果调用者是主线程取款操作就在主线程中完成。注意如果只是重复调用run的话就不叫并发操作了就是主线程处理一个任务。8.join() 的作用启动线程后主线程不会自动等待它们完成。如果立刻读取余额存取款任务可能还没有结束。t1.start();t2.start();t3.start();t1.join();t2.join();t3.join();System.out.println(account.getBalance());t1.join() 表示当前调用线程等待 t1 执行结束。这里等待的是主线程其他工作线程仍然可以继续执行。三个 join() 正常返回后再读取最终余额。join() 用于等待任务完成synchronized 用于协调共享数据访问两者作用不同。9. 阻塞与等待状态其中容易混淆的是BLOCKED例如账户锁被其他线程持有当前线程等待获得锁。WAITING例如调用无超时的 join()等待目标线程结束。TIMED_WAITING例如调用 Thread.sleep(1000)休眠约一秒。等待锁不等于等待持锁线程结束。持锁线程退出同步代码块时就可以释放锁然后继续执行其他代码。另外sleep() 不释放已持有的监视器锁wait() 会释放所等待对象的监视器锁并在返回前重新获得它。10.整体代码publicclassAccount{privateintbalance;publicAccount(intinitialBalance){if(initialBalance0){thrownewIllegalArgumentException(初始余额不能为负数);}balanceinitialBalance;}publicsynchronizedvoiddeposit(intmoney){if(money0){thrownewIllegalArgumentException(余额不能为负数);}balanceMath.addExact(balance,money);//超出int 范围System.out.println(Thread.currentThread().getName()存入:money分,余额:balance分);}//取款方法publicsynchronizedbooleanwithdraw(intmoney){if(money0){thrownewIllegalArgumentException(取款必须大于0);}if(balancemoney){System.out.println(Thread.currentThread().getName()余额不足取款失败,当前余额:分);returnfalse;}balance-money;System.out.println(Thread.currentThread().getName() 取出money分余额balance分);returntrue;}publicclassDepositTaskimplementsRunnable{privatefinalAccountaccount;privatefinalintmoney;publicDepositTask(Accountaccount,intmoney){this.accountaccount;this.moneymoney;}publicvoidrun(){account.deposit(money);}}publicclassWithdrawTaskimplementsRunnable{privatefinalAccountaccount;privatefinalintmoney;publicWithdrawTask(Accountaccount,intmoney){this.accountaccount;this.moneymoney;}publicvoidrun(){account.withdraw(money);}}publicclassBankDemo{publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{AccountaccountnewAccount(1000);//取出800WithdrawTasktask1newWithdrawTask(account,200);WithdrawTasktask2newWithdrawTask(account,300);DepositTasktask3newDepositTask(account,800);Threadthread1newThread(task1,取款线程1);Threadthread2newThread(task2,取款线程2);Threadthread3newThread(task3,存款线程3);thread1.start();thread2.start();thread3.start();thread1.join();thread2.join();thread3.join();System.out.println(最终余额account.getBalance()分);}}11.编写共享数据的并发代码时应明确三个问题**哪些数据被共享、用哪把锁保护、哪些步骤必须作为整体执行。**银行存取款中的余额、账户锁以及“检查余额并扣款”正好对应这三个问题。