什么是線程安全 如何實(shí)現(xiàn)線程安全代碼

相信有很多同學(xué)在面對(duì)多線程代碼時(shí)都會(huì)望而生畏，認(rèn)為多線程代碼就像一頭難以馴服的怪獸，你制服不了這頭怪獸它就會(huì)反過來吞噬你。

可這是為什么呢？為什么多線程代碼如此難以正確編寫呢？

從根源上思考

可上圖關(guān)小貓咪屁事！

關(guān)你什么屁事

如果你能理解這段話，那么馴服多線程這頭小怪獸就不在話下。

維護(hù)公共場(chǎng)所秩序

• 線程私有資源，沒有線程安全問題

• 共享資源，線程間以某種秩序使用共享資源也能實(shí)現(xiàn)線程安全。

本文都是圍繞著上述兩個(gè)核心點(diǎn)來講解的，現(xiàn)在我們就可以正式的聊聊編程中的線程安全了。

什么是線程安全

怎么樣，線程安全的定義很簡(jiǎn)單吧，也就是說你的代碼不管是在單個(gè)線程還是多個(gè)線程中被執(zhí)行都應(yīng)該能給出正確的運(yùn)行結(jié)果，這樣的代碼是不會(huì)出現(xiàn)多線程問題的，就像下面這段代碼：

int func() {  int a = 1;  int b = 1;  return a + b;}

對(duì)于這樣段代碼，無論你用多少線程同時(shí)調(diào)用、怎么調(diào)用、什么時(shí)候調(diào)用都會(huì)返回2，這段代碼就是線程安全的。

線程私有資源

線程私有的棧區(qū)就是線程自己家。

線程間共享數(shù)據(jù)

• 用于動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的堆區(qū)，我們用C/C++中的malloc或者new就是在堆區(qū)上申請(qǐng)的內(nèi)存

• 全局區(qū)，這里存放的就是全局變量

• 文件，我們知道線程是共享進(jìn)程打開的文件

接下來，我們看一下在各種情況下該怎樣實(shí)現(xiàn)線程安全。這里依然以C/C++代碼為例，但是這里講解的方法適用于任何語言，請(qǐng)放心，這些代碼足夠簡(jiǎn)單。

只使用線程私有資源

int func() {  int a = 1;  int b = 1;  return a + b;}

有的同學(xué)可能會(huì)說，那如果我們還是使用線程私有資源，但是傳入函數(shù)參數(shù)呢？

線程私有資源+函數(shù)參數(shù)

int func(int num) {  num++;  return num;}

int func(int* num) {  ++(*num);  return *num;}

int global_num = 1;
int func(int* num) {  ++(*num);  return *num;}
// 線程1void thread1() {  func(&global_num);}
// 線程2void thread1() {  func(&global_num);}

如果線程不得已要使用全局資源呢？

使用全局資源

int global_num = 100; //初始化一次，此后沒有其它代碼修改其值
int func() {  return global_num;}

int global_num = 100; 
int func() {  ++global_num;  return global_num;}

這時(shí)，func函數(shù)就不再是線程安全的了，對(duì)全局變量的修改必須加鎖保護(hù)。

線程局部存儲(chǔ)

__thread int global_num = 100; 
int func() {  ++global_num;  return global_num;}

• global_num是全局變量

• global_num是線程私有的

說完了局部變量、全局變量、函數(shù)參數(shù)，那么接下來就到函數(shù)返回值了。

函數(shù)返回值

int func() {  int a = 100;  return a;}

int* func() {  static int a = 100;  return &a;}

class S {public:  static S& getInstance() {    static S instance;    return instance;  }private:  S() {}  // 其它省略}

最后讓我們來看下這種情況，那就是如果我們調(diào)用一個(gè)非線程安全的函數(shù)，那么我們的函數(shù)是線程安全的嗎？

調(diào)用非線程安全代碼

int global_num = 0;
int func() {  ++global_num;  return global_num;}

int funcA() {  mutex l;     l.lock();  func();  l.unlock();}

int func(int *num) {  ++(*num);  return *num;}

void funcA() {  int a = 100;  func(&a);}

看了各種情況下的線程安全問題，最后讓我們來總結(jié)一下實(shí)現(xiàn)線程安全代碼都有哪些措施。

如何實(shí)現(xiàn)線程安全

從上面各種情況的分析來看，實(shí)現(xiàn)線程安全無外乎圍繞線程私有資源和線程共享資源這兩點(diǎn)，你需要識(shí)別出哪些是線程私有，哪些是共享的，這是核心，然后對(duì)癥下藥就可以了。

• 不使用任何全局資源，只使用線程私有資源，這種通常被稱為無狀態(tài)代碼
• 線程局部存儲(chǔ)，如果要使用全局資源，是否可以聲明為線程局部存儲(chǔ)，因?yàn)檫@種變量雖然是全局的，但每個(gè)線程都有一個(gè)屬于自己的副本，對(duì)其修改不會(huì)影響到其它線程
• 只讀，如果必須使用全局資源，那么全局資源是否可以是只讀的，多線程使用只讀的全局資源不會(huì)有線程安全問題。
• 原子操作，原子操作是說其在執(zhí)行過程中是不可能被其它線程打斷的，像C++中的std::atomic修飾過的變量，對(duì)這類變量的操作無需傳統(tǒng)的加鎖保護(hù)，因?yàn)镃++會(huì)確保在變量的修改過程中不會(huì)被打斷。我們常說的各種無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常是在這類原子操作的基礎(chǔ)上構(gòu)建的 。
• 同步互斥，到這里也就確定了你必須要以某種形式使用全局資源，那么在這種情況下公共場(chǎng)所的秩序必須得到維護(hù)，那么怎么維護(hù)呢？通過同步或者互斥的方式，這是一大類問題，我們將在《深入理解操作系統(tǒng)》系列文章中詳細(xì)闡述這一問題。

總 結(jié)