线程安全-复合操作

我不想学编丿程 / 2024-09-04 / 原文

线程安全-复合操作

在讨论 boolean 变量的原子性时，需要区分基本操作（如读取和写入）与复合操作（如条件判断和状态更新）。

基本操作的原子性

在 Java 中，对 boolean 变量的基本读取和写入操作是原子性的。这意味着单个的读取或写入操作不会被其他线程中断。例如：

boolean flag = true; // 原子性操作
flag = false; // 原子性操作

这些操作在单个处理器上是不可分割的，不会被其他线程中断。

复合操作的非原子性

复合操作是由多个基本操作组成的操作，例如条件判断和状态更新。在并发环境中，复合操作通常不是原子性的。例如：

if (flag) {
    // 执行某些操作
}

这个条件判断是一个复合操作，因为它涉及到以下两个基本操作：

读取 flag 的值。
执行条件分支中的代码。

这两个基本操作在并发环境中是分开的，因此整个复合操作不是原子性的。具体来说，当多个线程并发执行这个复合操作时，可能会出现以下问题：

可见性问题：一个线程修改了 flag 的值，但另一个线程可能看不到这个修改。
指令重排序：编译器和处理器可能会为了优化性能而重新排序指令，导致顺序执行出现问题。

示例

假设你有两个线程 A 和 B，它们共享一个 boolean 变量 flag。

线程 A

public void setFlag() {
    flag = true;
}

线程 B

public void checkFlag() {
    if (flag) {
        System.out.println("Flag is true.");
    }
}

在这个例子中，线程 A 修改 flag 为 true，而线程 B 检查 flag 是否为 true。如果没有适当的同步机制，可能会出现以下情况：

可见性问题：线程 A 修改了 flag，但线程 B 没有看到这个修改，导致条件判断失败。
指令重排序：编译器或处理器可能会重排序指令，导致线程 B 在 flag 还未被修改时就进行了检查。

解决方案

为了确保复合操作的线程安全性，可以使用以下几种方法：

1. 使用 `volatile` 关键字

使用 volatile 关键字可以确保 flag 的可见性和有序性。这意味着任何线程对 flag 的修改都会立即对其他线程可见，并且禁止指令重排序。

private volatile boolean flag = false;

public void setFlag() {
    flag = true;
}

public void checkFlag() {
    if (flag) {
        System.out.println("Flag is true.");
    }
}

2. 使用 `AtomicBoolean`

AtomicBoolean 类提供了线程安全的布尔变量操作。AtomicBoolean 支持原子性的读取和写入操作，并且提供了一些复合操作的方法，如 compareAndSet。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

private final AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(false);

public void setFlag() {
    flag.set(true);
}

public void checkFlag() {
    if (flag.get()) {
        System.out.println("Flag is true.");
    }
}

3. 使用锁

对于更复杂的复合操作，可以使用锁来确保原子性。ReentrantLock 或 synchronized 关键字可以确保在锁定区域内操作的原子性。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

private boolean flag = false;
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public void setFlag() {
    lock.lock();
    try {
        flag = true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public void checkFlag() {
    lock.lock();
    try {
        if (flag) {
            System.out.println("Flag is true.");
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}