13-从Java字节码的角度看线程安全性问题

本讲就来了解线程安全性问题，线程安全性问题是一个非常复杂，就是说，在没有充足的同步的情况下，多个线程中的操作的执行顺序是不可预测的，那么，可能就会，我们说在单线程中正常执行的问题，那么在多线程中可能就会出现非常奇怪的问题，这就是所谓的线程安全性问题，当然了，对线程安全性问题没有一个统一的结论，各有各的说法，其中有一条就是说，能够符合预期的执行结果，那么这个多线程这个线程就没有安全性问题，不符合预期的执行结果那么就会有线程安全性问题，那么，我们不去扣它的概念，那么，我们就来举一个例子来看一下线程安全性问题，我们来写一个数值序列生成器，

我们在这个类里面实现一个非常简单的方法，就是获取下一个值的方法，那么，获取下一个值，首先我们需要有一个变量来保存当前的值，然后提供一个方法获取下一个值，

这样我们就知道，数值的生成器我们就写好了，那么，当我们程序在调用的过程中，我们就可以

不管怎么执行，它肯定是自增的，而且是符合我们的预期，在不停的往下执行的。这是我们之前所了解的，这是完全没有问题的，那么，在我们多线程环境下，它就有可能会出现不可预期的问题，它执行的顺序是完全不可预期的，我们就用一个多线程来调用，多个线程一块调用，我们写一个Runnable接口，然后多个任务一块去执行，我们可以这样去写

在这里面我们就来调用它的序列的生成器，我们让它不停的去掉用序列生成器，并且我们要知道是哪一个线程在调用的，

这样就不停的在调用了，为了方便我们查看，我们让它休息一会，调用一次休息100毫秒，

然后，我们把它创建多个，

现在是三个线程一块执行，

发现出问题了。我们任务数值序列生成器肯定应该是产生一个唯一的，现在你里面产生重复的数值了，这样显然是不行的，那么，我们发现这就是所谓的线程安全性问题，那么，这个问题是怎么出现的呢？线程是多个顺序执行流。

在这里面有多个线程

那么，每一个线程是独立的，它都会执行这么一段代码，

其实就这一行，都执行value++这个操作，并且返回value++这个操作，value++是个什么意思呢？value = value + 1，也就是说，value的值先加1然后在赋给value，所以，value++其实并不是一步，它其实相当于是两步操作。

我们来直接分析这段代码生成的字节码文件，

这里面有内部类，我们就不用管内部类了，我们关注的是Sequence.class，那么，我们如何来解析这个Sequence.class呢？我安装了一个查看二进制文件的软件

Sequence.class其实就是一个二进制文件，我们说，字节码文件我们应该能够读懂，肯定是能够读懂字节码文件的，因为字节码文件的格式就是我们人为来规定的，那么，我们按照它规定的格式再反过来去读，显然是能够读懂的。我们能够读懂字节码文件，同样的工具也能够读懂字节码文件，JDK给我们带了一个工具非常好用，这个工具叫做javap，就可以来分析我们的字节码文件，

这个命令后面跟上我们要查看的字节码文件

 

这就是我们的字节码，我们这里只需要看getNext()方法

也就是说，我们的Java代码被翻译成了字节码指令，

所以，这就是一堆的执行过程，其实它执行的并不是Java代码，而是字节码，所以，我们发现，value++这个操作并不是一步完成的，而是经过了多步完成的，我们只是选取几小段字节码代码进行演示

多个线程在一块执行，每一个线程都有一个程序计数器，那么，就按着程序计数器往下去执行，iadd就是执行两个数相加的，加完之后，putfield把它给设置成值，只要知道iadd和putfield这两个就可以了，iadd是执行两个数相加，putfield是把相加的结果赋给后面的结果。最后ireturn是return。我们主要是iadd和putfield这两步。比如说第一个线程执行到第17行了，执行完了，我们定义的这个变量是value，本来这个value是0，我们知道，类的实例化的对象是放到堆内存中的，堆是属于线程共享的区域，程序计数器是线程独享的区域，也就是说，我们的value这个变量是处于多个线程共享的一块区域，它属于一个公共区域里面，最初始的时候它的值为0，当第一个线程执行完iadd之后，value的值就变成1了吗？没有啊，它只是在我们的操作数栈中变成1了，但是它还没有去设置value的值，因此，此时value的值还是0，不要认为执行完iadd之后value的值就变成1了，此时，如果第二个线程抢到了CPU的执行时间片，于是，它也在执行iadd，

那么，它在执行iadd的时候，其实上面有一个

它其实是把getfield获取这个值，它首先有一步是获取到这个值，在获取的时候，此时它获取到的value的值是0，因为1还没有写进去呢？所以，这个线程获取到的是0，然后，这个线程在iadd之后，相加后的结果是1，如果iadd之后，CUP的时间片又被第一个线程抢去了，于是第一个线程执行了ptufield，于是，处于多个线程共享区域的value这个变量的值变成了1。其实就是栈帧中的局部变量表中的value的值变成了1，然后第二个线程抢到了CUP时间片，开始执行putfield，执行往栈帧中的局部变量表中的value进行赋值的操作，也给value赋值为1，于是就出问题了，value的值本来应该为2才对，结果还是为1，这就是所谓的线程安全性问题，通过这个例子我们应该是能够理解了。问题遇到了，我们就应该解决，那么，如何解决线程安全性问题呢？其实非常简单，我们只需要在这里加一行

这样就不再会出现线程安全性问题了，我们再来执行，

不会再找到一个重复的或者漏掉的。这就是一个线程安全性的解决方法，解决方法就是加synchronized，让方法变成一个同步方法，那么，加上synchronized这个关键字是什么意思呢？这个我们后面会详细的去讲，包括它底层的原理，这个非常好理解，这里就是一个门加了一把锁，当一个线程进来了之后，它就会获取这把锁，然后把门锁上，其他的线程再来了就在外面等着，等这个线程执行完毕之后，这个线程把锁给释放了，那么，其他的线程才能够进来，所以，这样就导致在执行value++这段代码的过程中，同一时刻只有一个线程在执行，那么，就不会出现线程安全性问题了，当然了，解决线程安全性问题有非常多非常多的方法，也是我们后面要重点讲解的，其中，synchronized就是第一种，也是最原始的一种解决方案，现在只要知道synchronized可以解决线程安全性问题就可以了，后面我们会慢慢的展开来进行讲解。

关于线程安全性问题的演示，以及解决我们已经说完了，下面我们来总结一下，到底什么情况下会出现线程安全性问题呢？比如说这里，我不干value++这件事了，我直接返回value这个值

这样就不会出现线程安全性问题了，也就是说，对于变量的读操作，即使是多个线程也不会出现线程安全性问题，只要没有读写操作。++值即读了又写了。我们这里总结几点，具备以下这三个条件才会产生线程安全性问题。第一个是多线程环境下；第二个是多个线程共享一个资源；第三个是对共享资源进行非原子性操作。什么叫做非原子性操作呢？你这里即使在进行读写，如果++这个操作不可分割，也就是说，在

字节码里面，它就一条字节码，那么，就不会再出现线程安全性问题了，每一次一个字节就执行完了，这样就不会出现线程安全性问题了，只有进行了非原子性操作，才会出现线程安全性问题，也就是说，出现线程安全性问题必须具备以下三个条件，缺一不可。

那么，

如果没有这个共享变量value，那么，每一个方法持有它自己的变量的话，那么，它是不会具有线程安全性问题的，这里提到了共享变量的问题，共享资源的问题。

可能大家会有疑问，我们这里不是已经解决了线程安全性问题了嘛，为什么后面还要花大量的时间来解决线程安全性问题呢？我们刚才也提到这个问题了，当有线程进来的时候，别的线程必须在外面等待，那岂不是就成了串行的了，那么，多线程还有什么意义呢？所以我们在解决线程安全性问题的前提下，我们要尽可能的提高程序运行的性能，所以，我们才有了后面还要花大量的时间来解决线程安全性问题，如果我们不讲求性能的话，那么，加synchronized也就结束了。本讲就说到这里。