线程安全与共享资源

更新于 2025-12-28

Jakob Jenkov 2015-10-01

代码如果能够被多个线程同时调用而不会引发问题，就称为线程安全。如果一段代码是线程安全的，那么它不包含竞态条件（race conditions）。竞态条件只会在多个线程同时更新共享资源时发生。因此，了解 Java 线程在执行过程中会共享哪些资源非常重要。

局部变量

局部变量存储在每个线程自己的栈中。这意味着局部变量永远不会在线程之间共享。这也意味着所有局部基本类型变量都是线程安全的。

以下是一个线程安全的局部基本类型变量示例：

public void someMethod(){
    long threadSafeInt = 0;
    threadSafeInt++;
}

局部对象引用

对局部对象的引用略有不同。引用本身不会在线程之间共享。然而，被引用的对象并不存储在每个线程的本地栈中，而是存储在共享堆中。

如果一个在方法内部创建的对象从未逃逸出该方法的作用域，那么它是线程安全的。事实上，只要传递给其他方法或对象时，这些方法或对象不会将该对象暴露给其他线程，那么这种使用方式也是线程安全的。

下面是一个线程安全的局部对象示例：

public void someMethod(){
    LocalObject localObject = new LocalObject();
    localObject.callMethod();
    method2(localObject);
}

public void method2(LocalObject localObject){
    localObject.setValue("value");
}

在此示例中，LocalObject 实例既没有从 someMethod() 方法中返回，也没有传递给可以从 someMethod() 方法外部访问的其他对象。每个执行 someMethod() 方法的线程都会创建自己的 LocalObject 实例，并将其赋值给 localObject 引用。因此，此处对 LocalObject 的使用是线程安全的。

事实上，整个 someMethod() 方法都是线程安全的。即使将 LocalObject 实例作为参数传递给同一类或其他类中的其他方法，只要这些方法不将该对象暴露给其他线程，其使用仍然是线程安全的。

唯一的例外情况是：如果某个以 LocalObject 为参数的方法以某种方式存储了该实例，使得其他线程可以访问到它，那么就会破坏线程安全性。

对象成员变量

对象的成员变量（字段）与对象一起存储在堆上。因此，如果两个线程在同一个对象实例上调用某个方法，而该方法会更新对象的成员变量，那么这个方法就不是线程安全的。

以下是一个非线程安全方法的示例：

public class NotThreadSafe{
    StringBuilder builder = new StringBuilder();

    public add(String text){
        this.builder.append(text);
    }
}

如果两个线程同时在同一个 NotThreadSafe 实例上调用 add() 方法，就会导致竞态条件。例如：

NotThreadSafe sharedInstance = new NotThreadSafe();
new Thread(new MyRunnable(sharedInstance)).start();
new Thread(new MyRunnable(sharedInstance)).start();

public class MyRunnable implements Runnable{
    NotThreadSafe instance = null;

    public MyRunnable(NotThreadSafe instance){
        this.instance = instance;
    }

    public void run(){
        this.instance.add("some text");
    }
}

注意，这两个 MyRunnable 实例共享同一个 NotThreadSafe 实例。因此，当它们调用该实例的 add() 方法时，就会产生竞态条件。

然而，如果两个线程分别在不同的实例上调用 add() 方法，则不会导致竞态条件。以下是稍作修改的示例：

new Thread(new MyRunnable(new NotThreadSafe())).start();
new Thread(new MyRunnable(new NotThreadSafe())).start();

现在，两个线程各自拥有自己的 NotThreadSafe 实例，因此它们对 add 方法的调用互不干扰，不再存在竞态条件。所以，即使一个对象本身不是线程安全的，只要使用方式得当（比如每个线程使用独立实例），仍然可以避免竞态条件。

线程控制逃逸规则

在判断某段代码对特定资源的访问是否线程安全时，可以使用以下线程控制逃逸规则：

如果一个资源在其同一个线程的控制下被创建、使用和销毁，
并且从未逃逸出该线程的控制范围，
那么对该资源的使用就是线程安全的。

这里的“资源”可以是任何共享资源，例如对象、数组、文件、数据库连接、套接字等。在 Java 中，我们通常不会显式地“销毁”对象，因此“销毁”在这里指的是失去对该对象的引用或将引用置为 null。

需要注意的是：即使某个对象的使用是线程安全的，但如果该对象指向一个共享资源（如文件或数据库），那么整个应用程序可能仍然不是线程安全的。

例如，线程 1 和线程 2 各自创建了自己的数据库连接（connection1 和 connection2），每个连接本身的使用是线程安全的。但它们所指向的数据库的使用却可能不是线程安全的。比如，如果两个线程都执行如下逻辑：

检查记录 X 是否存在
如果不存在，则插入记录 X

如果两个线程同时执行这段代码，并且它们检查的是同一条记录 X，就有可能出现两个线程都插入同一条记录的情况。过程如下：

  • 线程 1 检查记录 X 是否存在 → 结果：不存在
  • 线程 2 检查记录 X 是否存在 → 结果：不存在
  • 线程 1 插入记录 X
  • 线程 2 插入记录 X

这种情况也可能发生在操作文件或其他共享资源的线程中。因此，重要的是要区分清楚：线程控制的对象本身是否就是资源，还是仅仅是对资源的引用（例如数据库连接只是对数据库的引用）。