并发王者课-青铜03：兴利除弊-如何理解多线程带来的安全问题

欢迎来到《并发王者课》，本文是该系列文章中的第3篇。

在前面的两篇文章中，我们体验了线程的创建，并从OS进程层面认识了线程。现在，我们已经知晓多线程在解决一些场景问题时有特效。

然而，不知你可曾想过，多线程虽然效率很高，但是它却有着你无法回避的并发问题。举个王者中常见的场景，双方10人同时进攻主宰，最后击败主宰的玩家才是真正的赢家，而且只能有一位。所以问题来了，假如这10位玩家代表10个线程，它们在并发访问同一个资源时，如何保证数据的安全性？总不至于，主宰只有一条命，可是却有多位玩家获得主宰，这显然不符合逻辑。

这个简单例子的背后，是计算机系统中一个普遍且基本的问题，即多线程的安全问题。在设计多线程时，我们追求它的优点，也务必要理解它存在的安全隐患，并为之设计合理的解决方案。否则，多线程这把双刃剑必将给我们以教训。

本文将从并发与并行的概念触发，帮助你入门这些概念并理解竞态相关问题。

一、理解并发（Concurrency）和并行（Parallelism）

在并发编程中，并发与并行像一对孪生兄弟，不仅长相相似，又容易让人混淆。但是，它们又有着本质的区别。所以，理解并行与并发，不要尝试去死记硬背概念，在你未能从本质上认识它们之前，你无法欺骗你的大脑去记住它。

简而言之，并行与并发的区别的核心在于所竞争的 资源 不同。举个通俗的例子：

• 蓝方5个人一起打主宰，是并发（Concurrency），因为竞争的目标资源只有一个；
• 蓝方2人去打主宰，3人去打暴君，是并行（Parallelism），因为竞争的目标资源是两个。

类似的，从CPU计算的角度看， 并发和并行的概念可以理解为：

• 如果1个CPU同时执行5个任务，就是并发；
• 如果5个CPU同时执行5个任务，并且是每个CPU执行一个，那么就是并行。

以上是对并行和并发的通俗概述，如果你有兴趣，可以通过检索资料详细了解单CPU下是如何模拟并发的。

二、理解竞态（Race Condition）下的安全问题

显然易见，无论是并发还是并行，都有助于提高计算效率。然而，效率是一方面，安全则是更重要的一方面。比如上面进攻主宰的案例中，一定要能知道是谁给予了最后一击，也就是数据不能出错。所以，我们就需要理解多线程下的 竞态（Race Condition） 和解决策略。

所谓竞态，你可以理解为多个线程试图在同一时刻修改共享数据的情况。你看，从字面上理解的话，Race这个词就是比赛的意思。比赛的目标是什么？是看谁先获得共享资源，即进入临界区（Critical Section）。

常见的竞态有下面这两种模式：

• Read-modify-write
• Check-then-act

1. Read-modify-write

先看下面这段代码，玩家每次进攻，主宰的血量都会减少：

public class Master {
    //主宰的初始血量
    private int blood = 100;

    //每次被击打后血量减5
    public int decreaseBlood() throws Exception {
        if(blood <= 0){
            throw new Exception("主宰已经被击败！");
        }
        blood = blood - 5;
        return blood;
    } 
}

当线程执行decreaseBlood()方法调用时，事情是这样发展的：

• 第一步：从内存中读取blood的值到寄存器（Read）；
• 第二步：修改寄存器中的blood值（Modify）；
• 第三步：将寄存器的值写回内存（Write）。

这就是Read-modify-write模式。整个过程看起来一气呵成，实则祸根已经种下。想想看，如果在第一步时，两个线程同时都读取到了值（比如100），随后两个线程同时做了修改，此时在第三步，无论是哪个线程率先将值写回内存，后面的线程都会覆盖内存中的值。换句话说，主宰承受了两次攻击，血量应该降低到90，可结果却是95，不是它耐操，而是你代码写错了！

2. Check-then-act

 //每次被击打后血量减5
    public int decreaseBlood() throws Exception {
        if(blood <= 0){
            throw new Exception("主宰已经被击败！");
        }
        blood = blood - 5;
        return blood;
    } 

我们再近距离观察下decreaseBlood()方法，你会发现，它不仅会让主宰出现攻击两次但血量却只减少一次的情况，还会出现血量为负值的情况！这是为什么？

注意decreaseBlood()中有一行if(blood <= 0)，也就是说如果此时主宰已经被击败，那就不要再往下继续运行，直接抛出异常。但是，问题来了。假设此时主宰的血量是 5 ，就差最后一击了！然后，线程A和线程B两个线程同时进来：

• 第一步：线程A和线程B检查血量是否为 0 （Check）；
• 第二步：线程A和线程B都通过了检查；
• 第三步：线程A和线程B执行血量扣减动作，但顺序未知（Act）。

问题是，如果线程A在执行blood = blood - 5时，blood的值不再是 5 ，而是已经被线程B更改为 0 了呢？那么结果就是主宰最后的血量是 -5 ！很显然，这样的结果就扯淡了。

以上就是两种常见的竞态情况。简单来说， Read-modify-write是在写入时因并发导致值被覆盖，而Check-then-act则是因并发导致条件判断失效。

3. 如何预发竞态

既然多线程是不安全的，那如何预防竞态的发生？其核心在于锁+原子操作，即对临界区进行加锁，让临界区每次有且只能有一个线程访问，在当前线程未离开临界区时，其他线程不得进入，且线程在临界区的操作必须保证原子性。

在Java中，最简单的加锁方式是使用synchronized关键字，我们会在下一篇中对它详细讲解。

以上就是文本的全部内容，恭喜你又上了一颗星✨

夫子的试炼

• 写一段多线程并发代码，体验并发时的数据错误。