如果面试官问你,线程安全的类有哪些,究竟什么是线程安全?你怎么回答呢?我们整天说线程安全,但你真的知道什么是线程安全吗?

什么是进程

从学术上理解,进程就是包含上下文切换的程序执行时间总和 = CPU加载上下文+CPU执行+CPU保存上下文

另一个简单的理解,进程就是程序的一次执行,比如看看一下这个图,每一个运行中的程序就是一个独立的进程,进程是相互独立存在的。

什么是线程

线程就是CPU执行那一部分的一个个小段,线程是CPU的基本调度单位。

注:平时大家说“因为Redis是单线程的,所以它是原子性的”,根本原因是,因为线程是CPU的最小调度单元,CPU每次只能执行成功或者失败才调度切换到下一个线程,所以Redis的操作都是原子的。

进程和线程都是一个时间段的描述,是CPU工作时间段的描述,不过是颗粒大小不同。

堆和栈

进程与线程中比较重要的内存区域有堆和栈。

是进程和线程共有的空间,分全局堆和局部堆。全局堆就是所有没有分配的空间,局部堆就是用户分配的空间。堆在操作系统对进程初始化的时候分配,运行过程中也可以向系统要额外的堆,但是用完了要还给操作系统,要不然就是内存泄漏。

在Java中,堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块,是所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。堆所存在的内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

是每个线程独有的,保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化,每个线程的栈互相独立,因此,栈是线程安全的。操作系统在切换线程的时候会自动切换栈。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配和释放。

进程和线程中的数据

程序几乎都需要与数据打交道,读取数据(命令行参数,文件),写入数据(设置变量,写入文件)。这些数据是保存在进程所管理的内存里。

为了保证数据的安全,比如一个进程中修改的数据不会影响到另一个进程的数据,每一个进程都会拥有操作系统分配给自己的内存空间,而不能访问其他进程的数据,这一点是由操作系统保证的。

进程占有的资源:地址空间,全局变量,打开的文件,子进程,信号量,账户信息

线程占有的资源:栈,寄存器,状态,程序计数器

进程是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位,不会共享资源,通过进程间通信共享资源,而线程可以共享部分资源,独自占有的资源不共享。

线程间共享的数据包括:

  • 1、堆
  • 2、进程代码段
  • 3、进程的公有数据

对于线程间共享的内存区域,如果进程中的A线程操作了数据,切换到B线程执行,修改了同样的数据,回到A线程时,数据就不是A线程切换时候的样子,这样一来,数据就被污染了,我们就说这块数据在多线程环境下是不安全的,即线程不安全的。

这就是线程安全这个概念产生的背景,笔者认为,谈论线程安全性,一定需要先介绍操作系统中进程与线程操作内存的过程,否则,说一个对象是安全的还是不安全的就显得有点突兀,而且相对于什么是安全的也不知道。

线程安全性

《Java并发编程实战》给出的定义如下: 一个对象是否需要是线程安全的,取决于它是否被多个线程访问。这只和对象在程序中是以何种方式被使用的有关,和对象本身具体是做什么的无关。

当多个线程访问某个类时,这个类始终都能表现出正确的行为,那么就称这个类是线程安全的。

线程安全的程序不一定是由线程安全的类组成,完全由线程安全类组成的程序也不一定是线程安全的。还需要一定的组合技巧才能保证线程安全。

要编写线程安全的代码,其核心在于要对对象状态访问操作进行管理,特别是对共享的(Shared)和可变的(Mutable)状态的访问,即数据的访问,而数据是存储在内存中,也就是说,线程安全的本质不是代码在线程中的安全,而是线程中内存的安全。

至此,线程安全的概念介绍完毕,最后的最后,你知道有哪些方法可以保证线程安全吗?

总结

分享一个学习方法,带着问题去看书。有时候看一本书,从头到尾看完确实非常枯燥无味,且很容易就放弃了,最近想到一个方法就是带着问题去看,比如《Java并发编程实战》,据说是Java并发编程的神书,但是很枯燥,而且中文版也难懂,看了好多次之后没能进入状态,后来就想着,能不能去网上看看一些面试题,看看这本书究竟能给我解答什么疑惑,怀着这样的心情,就把前三章看完了。

带着问题去看,目的性较强,更容易去理解,再通过自己的语言描述出来,印象就更深刻了。

原创文章,文笔有限,才疏学浅,文中若有不正之处,万望告知。

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