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“多线程修路：当count++变成灾难现场”

网友: 技术文档 2025-07-26 20:19:59

1.现象

当我们操作一个线程池的时候，可能需要去计数，也就是统计count，那我们这里有一个疑问，会不会产生线程安全问题？

毫无疑问绝对会有线程安全问题。在线程池环境中，多个线程并发访问和修改一个共享的 count 变量（例如通过 count++ 或 count = count + 1），如果不加锁或使用其他同步机制，会导致结果不可预测和不正确。

2.就像我们现在的这样

“多线程修路：当count++变成灾难现场”

根本原因分析：

  1. 非原子性：count++ 操作被拆分为 3 个独立步骤
  2. 时间窗口：在读取和写入之间存在竞争窗口期
  3. 缺乏可见性：线程 B 看不到线程 A 的中间结果
  4. 写覆盖：后写入的线程覆盖了前一线程的结果

原因如下：

  1. 非原子性操作 (count++):

    • 像 count++ 这样看似简单的操作，在底层通常需要多个步骤：
      1. 读取：从内存中读取 count 的当前值到线程的寄存器或本地缓存。
      2. 修改：在寄存器/缓存中将读取到的值加 1。
      3. 写入：将修改后的新值写回内存中的 count 变量。
    • 这些步骤本身不是原子操作（不可分割的操作）。多个线程完全有可能交错执行这些步骤。

  2. 竞争条件 (Race Condition):

    • 假设 count 初始值为 0。
    • 线程 A 执行步骤 1，读取到 count = 0。
    • 线程 B 执行步骤 1，也读取到 count = 0（因为线程 A 还没来得及写回）。
    • 线程 A 执行步骤 2，计算 0 + 1 = 1。
    • 线程 B 执行步骤 2，计算 0 + 1 = 1。
    • 线程 A 执行步骤 3，将 1 写入 count，内存中 count 变为 1。
    • 线程 B 执行步骤 3，将 1 写入 count，内存中 count 还是 1（覆盖了线程 A 的结果）。
    • 结果：两个线程都执行了 count++，但最终 count 的值是 1 而不是预期的 2。这就是经典的“丢失更新”问题。

  3. 可见性问题 (Visibility):

    • 现代 CPU 架构拥有多级缓存（L1, L2, L3）。每个线程可能在自己的 CPU 核心的缓存中操作 count 的副本。
    • 当一个线程修改了它缓存中的 count 值，这个修改不会立即对其他线程的缓存可见。
    • 线程 B 可能仍然看到 count 的旧值（比如 0），即使线程 A 已经把它加到了 1（但新值还在线程 A 的缓存里，没刷回主内存或线程 B 的缓存没更新）。
    • 这也会导致线程 B 基于过时的值进行计算，最终结果错误。

后果:

  • 最终 count 的值会小于实际所有线程执行 count++ 操作的次数总和。丢失更新的次数越多，差距越大。
  • 程序行为不可预测，结果每次运行都可能不同（取决于线程调度的时机）。

3.如何解决？

必须使用同步机制来保证对 count 的访问和修改是原子性的，并且修改对其他线程是可见的：

  1. 使用 synchronized 关键字 (锁):

    private int count = 0;private final Object lock = new Object(); // 专门用作锁的对象public void increment() { synchronized (lock) { // 获取锁 count++; // 在锁保护的临界区内安全地递增 } // 释放锁}
    • 优点：简单直观，适用于复杂的同步逻辑。
    • 缺点：性能开销相对较大（获取/释放锁、线程阻塞/唤醒）。

  2. 使用 ReentrantLock:

    private int count = 0;private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void increment() { lock.lock(); // 显式获取锁 try { count++; } finally { lock.unlock(); // 确保在finally块中释放锁 }}
    • 优点：比 synchronized 更灵活（如可尝试获取锁、可中断锁、公平锁等）。
    • 缺点：需要手动管理锁的获取和释放，否则容易死锁；性能开销与 synchronized 接近或略优/劣（取决于场景和 JDK 版本）。

  3. 使用原子类 (java.util.concurrent.atomic) - 强烈推荐用于计数器:

    private final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public void increment() { count.incrementAndGet(); // 原子地递增并返回新值 // 或者 count.getAndIncrement(); // 原子地递增并返回旧值}

    • 优点：性能最高！底层使用 CPU 提供的 CAS (Compare-And-Swap) 指令实现无锁并发。特别适合简单的计数器场景。

    • 缺点：只能用于特定的原子操作（递增、递减、加法、比较并设置等）。对于需要保护多个变量或复杂逻辑的复合操作，原子类可能不够用，需要用锁。

    解决方案对比：

    方法 原理 性能影响 适用场景 synchronized 互斥锁 高 (上下文切换) 复杂同步逻辑 AtomicInteger CAS 指令 低 (CPU 原语) 简单计数器 ReentrantLock 可重入锁 中 (优于 synchronized) 需要灵活控制的场景

4.结论：

在线程池（或任何多线程环境）中，对共享可变状态（如你的 count）进行并发修改，必须使用适当的同步机制（锁或原子类）。不采取任何同步措施必然会导致线程安全问题，使 count 的值不可靠。

对于简单的计数器场景，优先考虑 AtomicInteger 或 AtomicLong，它们提供了最佳的性能和简洁性。

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