线程安全 - 找出不安全的数据

什么才是线程安全？

《Java Concurrency in Practice》 有一个比较恰当的定义：“当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步或者在调用方法进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的。”

经典 Counter 计数例子🌰

/**
 * MultiErrorDemo 多线程环境下的常见的计数错误
 *
 * @author suremotoo
 * @date 2022/11/07 12:24
 */
public class MultiErrorDemoCounter implements Runnable {

    static int index = 0;
    static MultiErrorDemoCounter errorDemo = new MultiErrorDemoCounter();

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            index++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(errorDemo);
        Thread t2 = new Thread(errorDemo);

        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(index);
    }
}

没错，上述代码，我们启动了 2 个线程：t1、t2 ，分别对 index 进行 10 万次的计数，也就是分别执行 index++。

结果，index 最终我们 预期值为：200000，为实际运行结果，往往都是 小于 200000 ；

这就是典型的线程不安全问题操作，因为 两个线程执行同一个 index 对象的时候，总有可能是针对同一个数值计算，这样重复计算才导致真是数字往往小于预期！

小解决

当然，我们给 index++ 使用一个 synchronized 同步锁即可解决，run 方法调整后代码如下：
public void run() {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
      // 需要获得 errorDemo 对象的锁才能进行 index++, 从而保证准确计算
        synchronized(errorDemo) {
            index++;
        }
    }
}
当然，更多具体过程可以参考文档 synchronized 分析文章（我还没出呢😁）

尝试找出 Counter 例子中重复计算的数字！

鉴于上面的问题，大部分想法都是去解决这个问题，既然针对某些值进行了重复计算，那么能不能尝试着能不能找出到底是哪些值呢？本着研究学习的心态，去试一试！💪💪

第一步：记录

既然是重复计算，那么我们就每次计算的都记录一下，判断一下是不是已经计算过了，计算过了就打印出来。

public class FindErrorNumsCounter implements Runnable {

    static FindErrorNumsCounter instance = new FindErrorNumsCounter();

    int index = 0;

    /**
     * 真正运行的次数，该值正好和 index 理论上计算的值是一致
     */
    static AtomicInteger realCount = new AtomicInteger();

    /**
     * 错误的次数
     */
    static AtomicInteger errorCount = new AtomicInteger();

    /**
     * 记录标记计算的数字，容量比理论计算的数值大一些，以便都能装进去
     */
    static boolean[] marked = new boolean[1000000];


    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            index++;
            realCount.incrementAndGet();
            // 判断 index 是否已经计算过
            if (marked[index]) {
                System.out.println("出错了: " + index);
                errorCount.incrementAndGet();
            }
            marked[index] = true;
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("真正计算的次数: " + realCount.get());
        System.out.println("错误计算的次数: " + errorCount.get());
        System.out.println("实际结果: " + instance.index);
        System.out.println("----------------");
    }
}

为了方便，我们先定义了 3 个变量：

boolean[] marked：用于记录标记已经计算过的数值；
AtomicInteger realCount：用于记录理论预期的正确值；
AtomicInteger errorCount：记录重复计算的次数；

重点就分析一下 run() 方法

@Override
public void run() {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        index++;
        // 计算次数加 1，统计真正计算的次数，也就是理论上 index 的值
        realCount.incrementAndGet();
        // 判断 index 是否已经计算过，如果已经计算过，说明重复计算，则打印出来该值
        if (marked[index]) {
            System.out.println("出错了: " + index);
            // 同时重复计算的次数加 1 
            errorCount.incrementAndGet();
        }
        // 没有重复计算则添加到数组中，标记已经计算过
        marked[index] = true;
    }
}

运行一下：

真正计算的次数: 200000
错误计算的次数: 255
实际结果: 199604

会发现数字很离谱，理论上 实际结果 + 错误计算的次数 = 真正计算的次数 才对！

这里我们犯了一个错误，就是我们统计重复计算的逻辑，也是线程不安全的！就是这里：

// 判断 index 是否已经计算过，如果已经计算过，说明重复计算，则打印出来该值
if (marked[index]) {
    System.out.println("出错了: " + index);
    // 同时重复计算的次数加 1 
    errorCount.incrementAndGet();
}
// 没有重复计算则添加到数组中，标记已经计算过
marked[index] = true;

错误分析

错误分析

前提条件： 假如两个线程发生了重复计算，index 从 0 开始，都执行完 index++ 后 index 的值都为 1；

第 1 个线程判断 if (marked[index]) 不符合，那么要标记该 index 已经计算过，也就是要执行 marked[index] = true;

结果第 1 线程还没执行 marked[index] = true;，偏偏 CPU 调度切换执行第 2 个线程；

第 2 个线程判断 if (marked[index]) 也不符合，然后第 2 个线程就执行了 marked[index] = true;

第 2 个线程执行完成后，CPU 调度又切回第 1 个线程去执行 marked[index] = true;

那么最终两个线程对同一个 index 进行了标记！就跟 index++ 重复计算一样，这样就是两个线程冲突，却没有统计到出错的数字。

示例图

可以配合该动图，理解上面的话（动图稍大，耐心等待）

没解决问题反而还新造出了新问题🤦🤦

第二步：记录调整 - 增加 synchronized

上面记录重复次数的代码不安全，那么我们用 synchronized 来同步这段代码试试呀！😏😏

@Override
public void run() {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        index++;
        realCount.incrementAndGet();
        // 使用 synchronized 保护
        synchronized (instance) {
            if (marked[index]) {
                System.out.println("出错了: " + index);
                errorCount.incrementAndGet();
            }
            marked[index] = true;
        }
    }
}

这样我们再看看～

... ... 
出错了: 183544
出错了: 190630
真正计算的次数: 200000
错误计算的次数: 1781
实际结果: 199999

多运行几次，实际结果 199999 都已经逼近 真正计算的次数 200000 了，可是这个 错误计算的次数 竟然高的离谱！应该是 1 的呀！😦😦

错误分析

错误分析
前提条件： 假如两个线程没有发生冲突，正常计算，index 从 0 开始，第 1 个线程执行完 index++ 后 index 的值为 1；

提示 2 ： 这个又要提到一个概念，就是 synchronized 拥有一个特性：线程可见。

第 1 个线程正常执行 index++ ,index 值变为 1，紧接着进入 synchronized 中，第 2 个线程是无法进入 synchronized 代码块的。

第 1 个线程此时即将要执行 if (marked[index]) 代码，却又没执行的时候， CPU 调度又回去让第 2 个线程继续执行；

这时候第 2 个线程又执行 index++，index 变为 2，执行完后 CPU 调度又回去让第 1 个线程执行，这时候第 1 个线程要执行： if (marked[index]) 代码

由于 synchronized 的线程可见性， 1 个线程可以看到之前的线程干了什么事情，这样第 1 个线程本来要 if (marked[index]) 判断的是 marked[1]，由于第 2 个线程的结果导致变成了 marked[2]

如此的话，第 1 个线程将 index 2 就被标记为 true，然后退出 synchronzied 代码块。

轮到第 2 个线程继续执行的时候，第 2 个线程执行 if (marked[index]) 判断的也是 marked[2]，因为第 1 个线程已经标记过了，所以会满足 if (marked[index]) 的条件，从而打印出 出错了。

可实际上两个线程并没有冲突，1 个线程将 0+1=1，另 1 个线程将 1+1=2。

这样下来，本来正确的计算，却打印出了 1 次 出错了，就会导致上述 错误计算的次数 统计过多的问题了。

示例图

可以配合该动图，理解上面的话（动图稍大，耐心等待）

第三步：记录调整 - 保持每两个线程一组

上面分析增加 synchronized 还不行，因为 CPU 调度，可能会让前面的线程一、线程二中的某一个线程步骤加快，进入下一次 index++ 的计算，那么我们就控制一下，每次 index++ 前确保是 2 个线程一起来！

这时候我们引入一个新的工具类：CyclicBarrier，先不用理解它到底是什么，只需要知道它到底有什么作用即可。

CyclicBarrier 其实就个栅栏，假如你有个牧场，养了一窝的阿拉斯加，它们也总是兴致勃勃，为了不让他们乱跑，你为了个栅栏把他们圈起来～，哪天你想放出来遛遛它们，打开栅栏，那叫一个： 斯如涌泉 🤪，一下子全冲出来了～

CyclicBarrier 其实就跟这个差不多，我们可以设置一个条件，比如有 2 个线程都等待就绪后，然后才允许放行！我们看代码：

/**
 * FindErrorNumsCounter
 *
 * @author suremotoo
 * @date 2022/11/07 19:57
 */
public class FindErrorNumsCounter implements Runnable {

    static FindErrorNumsCounter instance = new FindErrorNumsCounter();

    int index = 0;

    /**
     * 真正运行的次数，该值正好和 index 理论上计算的值是一致
     */
    static AtomicInteger realCount = new AtomicInteger();

    /**
     * 错误的次数
     */
    static AtomicInteger errorCount = new AtomicInteger();

    /**
     * 记录标记计算的数字，容量比理论计算的数值大一些
     */
    static boolean[] marked = new boolean[1000000];

    static volatile CyclicBarrier cyclicBarrier1 = new CyclicBarrier(2);

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            try {
                cyclicBarrier1.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            index++;
            realCount.incrementAndGet();
            synchronized (instance) {
                if (marked[index]) {
                    System.out.println("出错了: " + index);
                    errorCount.incrementAndGet();
                }
                marked[index] = true;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("真正计算的次数: " + realCount.get());
        System.out.println("错误计算的次数: " + errorCount.get());
        System.out.println("实际结果: " + instance.index);
        System.out.println("----------------");
    }
}

重点看这里：

counter-error-img-cyclicBarrier1

我们定义了一个变量 cyclicBarrier1 并且设置了栅栏开启的线程数量是 2 个，这里 cyclicBarrier1.await(); 就是 2 个线程就绪了才会执行下一行！

这下我们再运行，看看结果：

真正计算的次数: 200000
错误计算的次数: 4
实际结果: 200000

🎵眼睛瞪得像铜铃🔔 ~~~~

我… … 怎么还是有问题❓❓❓❓❓

错误分析

错误分析经过 cyclicBarrier1.await(); 代码后，我们有 2 个线程过来。

前提条件（很重要）： 我们 假设 index 为 0， 第 2 个线程进来就一直没有执行，就卡在 index++; ，注意：是没执行 index++;

而第 1 个线程执行 index++, i 变成 1，并且进入 synchronized 代码块，if (marked[index]) marks[1] 也不满足条件（不记录错误），当即将执行 marked[index]=true 的时候却被 CPU 调度走了，让第 2 个线程继续执行了～

第 2 个线程执行 index++; index 是从 1 开始计算的，因为第 1 个线程已经 index++ 了！

这时候第 2 个线程 index++ 完 index 就变成了 2 ，刚执行完又被 CPU 调度回去，继续让第 1 个线程执行，而这时候第 1 个线程继续执行：marked[index]=true，可此时 index 已经变成 2 了，本来是要执行 marked[1]=true，结果变成了 marked[2]=true！

最后第 1 个线程执行完后退出 synchronized，第 2 个线程回来继续执行进入 synchronized。

这样第 2 个线程本来要 if (marked[index]) 判断的是 marked[1]，结果也变成了 marked[2]！

如此的话，第 2 个线程 if (marked[index]) 判断的也是 marked[2]，这样 2 就已经重复了，就会打印出来 “出错了：” ，可实际并没有重复呢！和之前分析导致 错误计算的次数 统计过多的问题一样。

其实你会发现，这和 第二步 的场景是完全一样的嘛！😁

第四步：记录调整 - 保持每两个线程一组 - 升级！

第三步，我们添加了 1 个 CyclicBarrier 栅栏来解决第二步两轮计算 index++ 的问题，发现还是不行，依然存在一个在 synchronized 代码块里，因为线程切换执行 index++ 导致 index 值变的问题！

既然有可能线程半路才 index++，这样，那么我再加 1 个 CyclicBarrier 栅栏，放在 index++ 后面 synchronized 前面，这样就避免了其中 1 个线程在 synchronized 里执行代码的时候突然让别的线程 index++。

没问题，上代码：

/**
 * FindErrorNumsCounter
 *
 * @author suremotoo
 * @date 2022/11/07 19:57
 */
public class FindErrorNumsCounter implements Runnable {

    static FindErrorNumsCounter instance = new FindErrorNumsCounter();

    int index = 0;

    /**
     * 真正运行的次数，该值正好和 index 理论上计算的值是一致
     */
    static AtomicInteger realCount = new AtomicInteger();

    /**
     * 错误的次数
     */
    static AtomicInteger errorCount = new AtomicInteger();

    /**
     * 记录标记计算的数字，容量比理论计算的数值大一些
     */
    static boolean[] marked = new boolean[1000000];

    static volatile CyclicBarrier cyclicBarrier1 = new CyclicBarrier(2);
    static volatile CyclicBarrier cyclicBarrier2 = new CyclicBarrier(2);

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            try {
                cyclicBarrier2.reset();
                cyclicBarrier1.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            index++;
            try {
                cyclicBarrier1.reset();
                cyclicBarrier2.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            realCount.incrementAndGet();
            synchronized (instance) {
                if (marked[index]) {
                    System.out.println("出错了: " + index);
                    errorCount.incrementAndGet();
                }
                marked[index] = true;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println("真正计算的次数: " + realCount.get());
        System.out.println("错误计算的次数: " + errorCount.get());
        System.out.println("实际结果: " + instance.index);
        System.out.println("----------------");
    }
}

我们在 index++ 前后都添加了 CyclicBarrier 栅栏！这样可以确保让两个线程都会执行 index++ 。

ok，我们运行一下代码。

出错了: 199920
出错了: 199922
出错了: 199924
出错了: 199926
出错了: 199928
出错了: 199930
出错了: 199932
出错了: 199934
出错了: 199936
出错了: 199938
出错了: 199940
出错了: 199942
出错了: 199944
出错了: 199946
出错了: 199948
出错了: 199950
出错了: 199952
出错了: 199954
出错了: 199956
出错了: 199958
出错了: 199960
出错了: 199962
出错了: 199964
出错了: 199966
出错了: 199968
出错了: 199970
出错了: 199972
出错了: 199974
出错了: 199976
出错了: 199978
出错了: 199980
出错了: 199982
出错了: 199984
出错了: 199986
出错了: 199988
出错了: 199990
出错了: 199992
出错了: 199994
出错了: 199996
出错了: 199998
真正计算的次数: 200000
错误计算的次数: 100000
实际结果: 199998

俏丽马！怎么还越来越离谱了❓❓❓❓❓❓而且出错的还都是偶数。

counter-error-img-cyclicBarrier2

注意：

注意： 由于在 index++ 前后都加入了栅栏，所以 2 个线程都会执行 index++ 的。

错误分析

前提条件：index 为 0：

假如现在 2 个线程是正常按照逻辑执行，第 1 个线程 index++ index 变为 1；

因为第 1 个线程的结果，第 2 个线程 index++ index 就变为 2；

然后放开栅栏！两个都去执行 synchronized 代码，要进行锁竞争，由于 synchronized 的线程可见特性， 1 个线程可以看到之前的线程干了什么事情， 所以无论哪个线程抢到锁去执行，它们用的 index 值都是 2。

第 1 个线程 if (marked[index]) 判断 marked[2] 不满足条件，则执行 marked[2]=true;

第 2 个线程 if (marked[index]) 判断 marked[2] 满足条件，则打印 出错了:

这样的情况对吗？肯定不对啊，我们的目标、宗旨是要找出重复计算的，现在的 index 有重复计算吗？并没有！ 1 个线程将 index 从 0 变为 1，另 1 个线程从 1 变为 2，没问题呀，但我们现在这种代码就会多打印出来 出错了:。

🤨🤨你会发现，这还是和之前 第三步、第四步 类似呀，都是正常的逻辑情况下，因为其中 1 个线程将 index 变更后，导致另 1 个线程使用变更后的 index ，从而导致重复打印的问题！

第五步：记录调整 - 调整重复计算的判断处理！

基于上面第四步，我们分析了正常情况多统计了，现在想办法要去掉，那么，同时我们也要会想一下错误的情况，应该是什么样的。

提示

提示：

因为 index 从 0 开始，index++ 对于 0 是不会漏算的，我们就把设置 marked[0]=true;

正常的情况，0→1→2：

线程	index 值	marked 标记结果	备注
线程 1	1	false	并没有执行 `marked[1] = true;` 标记，因为线程 2 的将 index 变更为 2 了，所以线程 1 实际执行的是 `marked[2] = true;` 所以 index 为 1 在 marked 里默认的值为 false
线程 2	2	true	实际执行的是 `marked[2] = true;`

或者

线程	index 值	marked 标记结果	备注
线程 2	1	false	并没有执行 `marked[1] = true;` 标记，因为线程 1 的将 index 变更为 2 了，所以线程 2 实际执行的是 `marked[2] = true;` 所以 index 为 1 在 marked 里默认的值为 false
线程 1	2	true	实际执行的是 `marked[2] = true;`

⚠️错误的情况，0→1→1：

线程	index 值	marked 标记结果	备注
第 1 个线程	1	true	实际执行的是 `marked[1] = true;`
第 2 个线程	1	true	实际执行的是 `marked[1] = true;`

从上面的表格，我们可以看到，因为 2 个线程去执行 index++, 所以 正常的情况，总会像 0→1→2 这样的规律，而且 0→1→2 中间的那个 1 是会略过 sychronized 的代码处理的，2 是正确的，但我们却多打印出来来了，不应该打印它，所以 marked [0] 总是 true，marked [1] 是 false，marked [2] 是 true；以此类推，后面都是 true、false 交替的结果。

错误的情况总会像 0→1→1 这样的规律，所以 marked [0] 总是 true，marked [1] 也是 true，这样呢，我就可以得出一个规律，只要出现了 marked [index] 和 marked [index-1] 都为 true 的情况，index 才是真正的重复计算，这种情况下才是需要将信息打印出来！

这样我们就知道调整哪里的代码了，就是 synchronized 代码块中 if (marked[index]) 这句代码，我们调整为 if (marked[index] && marked[index - 1])

run() 完整代码如下：

@Override
public void run() {
   // 0 的时候永远不会重复计算，手动标记为 true
    marked[0]=true;
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        try {
            cyclicBarrier2.reset();
            cyclicBarrier1.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        index++;
        try {
            cyclicBarrier1.reset();
            cyclicBarrier2.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        realCount.incrementAndGet();
        synchronized (instance) {
          // 判断条件，如果上一个和当前这个都为 true，则说明 index 漏算
            if (marked[index] && marked[index - 1]) {
                System.out.println("出错了: " + index);
                errorCount.incrementAndGet();
            }
            marked[index] = true;
        }
    }
}

这样我们再次运行

真正计算的次数: 200000
错误计算的次数: 0
实际结果: 200000

ok，没问题了！emm，运行好多次，只是一直没有失败的，这是因为我们调整多次代码后，线程碰撞的概率变小了，没关系！我们微调一下再测试就可以！

第六步：调整 main 方法，运行代码打印！

只要出现错误，errorCount 肯定能统计到值，我们就来个循环，直到遇到漏算的错误情况。

完整代码：

/**
 * FindErrorNumsCounter 找出并发情况下哪些计数被漏算
 *
 * @author suremotoo
 * @date 2022/11/07 15:57
 */
public class FindErrorNumsCounter implements Runnable {

    static FindErrorNumsCounter instance = new FindErrorNumsCounter();

    int index = 0;

    /**
     * 真正运行的次数，该值正好和 index 理论上计算的值是一致
     */
    static AtomicInteger realCount = new AtomicInteger();

    /**
     * 错误的次数
     */
    static AtomicInteger errorCount = new AtomicInteger();

    /**
     * 记录标记计算的数字，容量比理论计算的数值大一些
     */
    static boolean[] marked = new boolean[1000000];

    static volatile CyclicBarrier cyclicBarrier1 = new CyclicBarrier(2);
    static volatile CyclicBarrier cyclicBarrier2 = new CyclicBarrier(2);

    @Override
    public void run() {
        marked[0] = true;
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            try {
                cyclicBarrier2.reset();
                cyclicBarrier1.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            index++;
            try {
                cyclicBarrier1.reset();
                cyclicBarrier2.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            realCount.incrementAndGet();
            synchronized (instance) {
                if (marked[index] && marked[index - 1]) {
                    System.out.println("出错了: " + index);
                    errorCount.incrementAndGet();
                }
                marked[index] = true;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        while (errorCount.get() == 0) {
            realCount.set(0);
            errorCount.set(0);
            instance.index = 0;
            marked = new boolean[1000000];
            Thread t1 = new Thread(instance);
            Thread t2 = new Thread(instance);

            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();

            System.out.println("真正计算的次数: " + realCount.get());
            System.out.println("错误计算的次数: " + errorCount.get());
            System.out.println("实际结果: " + instance.index);

            System.out.println("----------------");

        }
    }
}

结果：

真正计算的次数: 200000
错误计算的次数: 0
实际结果: 200000
----------------
真正计算的次数: 200000
错误计算的次数: 0
实际结果: 200000
----------------
出错了: 77953
真正计算的次数: 200000
错误计算的次数: 1
实际结果: 199999
----------------

77953 重复计算了，错误 1 次，实际结果 199999，真正的计算为：200000，这次统计对咯～

可以多次运行验证，发现没问题～🎉🎉