線程安全是指某個方法或某段代碼，在多線程中能夠正確的執行，不會出現數據不一致或數據污染的情況，我們把這樣的程序稱之為線程安全的，反之則為非線程安全的。

舉個例子來說，比如銀行只有張三一個人來辦理業務，這種情況在程序中就叫做單線程執行，而單線程執行是沒有問題的，也就是線程安全的。但突然有一天來了很多人同時辦理業務，這種情況就叫做多線程執行。如果所有人都一起爭搶著辦理業務，很有可能會導致錯誤，而這種錯誤就叫非線程安全。如果每個人都能有序排隊辦理業務，且工作人員不會操作失誤，我們就把這種情況稱之為線程安全的。

問題演示

接下來我們演示一下，程序中非線程安全的示例。我們先創建一個變量 number 等于 0，然后開啟線程 1 執行 100 萬次 number++ 操作，同時再開啟線程 2 執行 100 萬次 number-- 操作，等待線程 1 和線程 2 都執行完，正確的結果 number 應該還是 0，但不加干預的多線程執行結果卻與預期的正確結果不一致，如下代碼所示：

public class ThreadSafeTest {
    // 全局變量
    private static int number = 0;
    // 循環次數(100W)
    private static final int COUNT = 1_000_000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 線程1：執行 100W 次 number+1 操作
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                number++;
            }
        });
        t1.start();

        // 線程2：執行 100W 次 number-1 操作
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                number--;
            }
        });
        t2.start();

        // 等待線程 1 和線程 2，執行完，打印 number 最終的結果
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("number 最終結果：" + number);
    }
}

以上程序的執行結果如下圖所示：

從上述執行結果可以看出，number 變量最終的結果并不是 0，和我們預期的正確結果是不相符的，這就是多線程中的線程安全問題。

產生原因

導致線程安全問題的因素有以下 5 個：

• 多線程搶占式執行。
• 多線程同時修改同一個變量。
• 非原子性操作。
• 內存可見性。
• 指令重排序。

接下來我們分別來看這 5 個因素的具體含義。

1.多線程搶占式執行

導致線程安全問題的第一大因素就是多線程搶占式執行，想象一下，如果是單線程執行，或者是多線程有序執行，那就不會出現混亂的情況了，不出現混亂的情況，自然就不會出現非線程安全的問題了。

2.多線程同時修改同一個變量

如果是多線程同時修改不同的變量(每個線程只修改自己的變量)，也是不會出現非線程安全的問題了，比如以下代碼，線程 1 修改 number1 變量，而線程 2 修改 number2 變量，最終兩個線程執行完之后的結果如下：

public class ThreadSafe {
    // 全局變量
    private static int number = 0;
    // 循環次數(100W)
    private static final int COUNT = 1_000_000;
    // 線程 1 操作的變量 number1
    private static int number1 = 0;
    // 線程 2 操作的變量 number2
    private static int number2 = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 線程1：執行 100W 次 number+1 操作
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                number1++;
            }
        });
        t1.start();

        // 線程2：執行 100W 次 number-1 操作
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
                number2--;
            }
        });
        t2.start();

        // 等待線程 1 和線程 2，執行完，打印 number 最終的結果
        t1.join();
        t2.join();
        number = number1 + number2;
        System.out.println("number=number1+number2 最終結果：" + number);
    }
}

以上程序的執行結果如下圖所示：

從上述結果可以看出，多線程只要不是同時修改同一個變量，也不會出現線程安全問題。

3.非原子性操作

原子性操作是指操作不能再被分隔就叫原子性操作。比如人類吸氣或者是呼氣這個動作，它是一瞬間一次性完成的，你不可能先吸一半(氣)，停下來玩會手機，再吸一半(氣)，這種操作就是原子性操作。而非原子性操作是我現在要去睡覺，但睡覺之前要先上床，再拉被子，再躺下、再入睡等一系列的操作綜合在一起組成的，這就是非原子性操作。非原子性操作是有可以被分隔和打斷的，比如要上床之前，發現時間還在，先刷個劇、刷會手機、再玩會游戲，甚至是再吃點小燒烤等等，所以非原子性操作有很多不確定性，而這些不確定性就會造成線程安全問題問題。像 i++ 和 i-- 這種操作就是非原子的，它在 +1 或 -1 之前，先要查詢原變量的值，并不是一次性完成的，所以就會導致線程安全問題。比如以下操作流程：

以上就是一個經典的錯誤，number 原本等于 1，線程 1 進行 -1 操作，而線程 2 進行加 1，最終的結果 number 應該還等于 1 才對，但通過上面的執行，number 最終被修改成了 0，這就是非原子性導致的問題。

4.內存可見性問題

在 Java 編程中內存分為兩種類型：工作內存和主內存，而工作內存使用的是 CPU 寄存器實現的，而主內存是指電腦中的內存，我們知道 CPU 寄存器的操作速度是遠大于內存的操作速度的，它們的性能差異如下圖所示：

那這和線程安全有什么關系呢?這是因為在 Java 語言中，為了提高程序的執行速度，所以在操作變量時，會將變量從主內存中復制一份到工作內存，而主內存是所有線程共用的，工作內存是每個線程私有的，這就會導致一個線程已經把主內存中的公共變量修改了，而另一個線程不知道，依舊使用自己工作內存中的變量，這樣就導致了問題的產生，也就導致了線程安全問題。

5.指令重排序

指令重排序是指 Java 程序為了提高程序的執行速度，所以會對一下操作進行合并和優化的操作。比如說，張三要去圖書館還書，舍友又讓張三幫忙借書，那么程序的執行思維是，張三先去圖書館把自己的書還了，再去一趟圖書館幫舍友把書借回來。而指令重排序之后，把兩次執行合并了，張三帶著自己的書去圖書館把書先還了，再幫舍友把書借出來，整個流程就執行完了，這是正常情況下的指令重排序的好處。但是指令重排序也有“副作用”，而“副作用”是發生在多線程執行中的，還是以張三借書和幫舍友還書為例，如果張三是一件事做完再做另一件事是沒有問題的(也就是單線程執行是沒有問題的)，但如果是多線程執行，就是兩件事由多個人混合著做，比如張三在圖書館遇到了自己的多個同學，于是就把任務分派給多個人一起執行，有人借了幾本書、有人借了還了幾本書、有人再借了幾本書、有人再借了還了幾本書，執行的很混亂沒有明確的目標，到最后悲劇就發生了，這就是在指令重排序帶來的線程安全問題。

總結

線程安全是指某個方法或某段代碼，在多線程中能夠正確的執行，不會出現數據不一致或數據污染的情況，反之則為線程安全問題。簡單來說所謂的非線程安全是指：在多線程中，程序的執行結果和預期的正確結果不一致的問題。而造成線程安全問題的因素有 5 個：多線程搶占式執行、多線程同時修改同一個變量、非原子性操作、內存可見性和指令重排序。