线程安全

线程安全是指多个线程同时访问对象时，对象仍能满足约定的正确性要求。本文从丢失更新的例子入手，说明竞态怎样发生，再介绍如何确定同步范围、选择同步方式。

多个线程共享可变状态时，需要约定读写规则。否则，程序会丢失更新、读到不一致状态，或根据过期数据作出决定。

1. 面试核心

先记住这几条，再读正文

• 共享访问规则。 多个线程访问同一份可变状态，且至少一个线程写入时，各条访问路径需要遵守同一套同步规则。
• 复合操作。 count++ 包含读、计算和写，并发交错会丢失更新。
• volatile 的边界。 volatile 保证单次读写的可见性和顺序，复合更新的原子性需要锁或原子操作保证。
• 临界区范围。 临界区应覆盖维护业务不变量的完整过程，包括条件检查和状态更新。卡 · 竞态条件
• 组合操作。 多个线程安全操作的组合仍可存在竞态。卡 · 线程安全操作的组合

2. 竞态条件

必会卡 · 怎样判断一段代码是否线程安全

竞态条件是指程序是否正确取决于多个线程的执行先后顺序。下面的计数器中，一次递增就会与另一次递增相互干扰：

public final class Counter {
    private int value;

    public void increment() {
        value++;
    }

    public int get() {
        return value;
    }
}

value++ 要读取旧值、计算新值，再写回。两个线程都读到 10 时，就会各自写入 11。这样，两次递增最终只增加一次，称为丢失更新。

这个结果取决于线程怎样交错执行，所以属于竞态条件。两个线程访问同一变量，且至少一个线程写入时，这两个访问就相互冲突。如果两个普通内存访问之间没有 happens-before 顺序，还构成数据竞争。happens-before 是 Java 内存模型（JMM）定义的顺序关系，用来约束跨线程的可见性。

3. 原子性、可见性与有序性

分析并发错误时，要区分原子性、可见性和有序性。它们分别关注操作能否被穿插、写入能否被看见，以及读写应满足什么顺序：

性质	关注点	典型问题
原子性	操作能否作为整体生效	检查与更新被穿插
可见性	写入何时对另一线程可见	停止标志读取过期
有序性	跨线程观察应满足的先后约束	发布引用与数据写入缺少顺序

例如，发布对象引用时，需要先完成对象数据的写入，再让读者取得引用。否则，读者拿到引用时，字段仍缺少正确发布的保证。

volatile 为单次访问建立可见性与顺序保证，但复合操作仍可被其他线程穿插。示例推演见 volatile。

4. 不变量与临界区

确定加锁范围前，要先写出业务不变量，也就是每次操作前后都应成立的条件。例如，扣款操作要求账户余额保持非负：

if (balance >= amount) {
    balance -= amount;
}

假设 amount > 0，业务要求余额保持非负。检查和扣减共同维护该条件。若两个线程同时通过检查，合计扣减就可超过余额。

为了保持余额非负，锁应覆盖检查与扣减的完整过程。这个受保护的代码范围称为临界区。只把扣减换成原子操作，检查与扣减之间仍有空隙。

也可以用带条件的 CAS 循环完成整个更新。CAS 会比较当前值与预期值，相同时才更新；失败后重新读取余额并检查条件。

多个字段也会共同维护不变量。例如，lower <= upper 要求上下界始终匹配。两个独立的 volatile 字段只保证各自可见，因此需要整体更新它们。

5. 同步策略

必会卡 · 怎样判断一段代码是否线程安全

选择同步方式时，先看状态是否必须共享和修改。常用的四种策略如下：

• 不共享：把局部状态留在任务内，或只交给一个线程访问。这种限制访问线程的方式称为线程封闭。
• 不可变：对象或快照在正确发布后保持内容不变，多个线程可以共同读取。判断是否不可变时，还要检查字段引用的对象是否会变化。
• 单一所有者：由一个线程修改状态，其他线程通过消息提交操作。
• 受控共享：多个线程需要直接修改状态时，用锁、原子操作或并发容器保护它。

工具要与状态的变化方式对应。例如，独立计数适合 AtomicLong，多个字段的整体变更适合用锁。持续处理事件时，则可用队列把事件交给单一消费者。

6. synchronized 状态转换

下面用 synchronized 修复前面的计数器。读方法和写方法都获取同一个对象的锁，让递增完整执行，也让读者看到已完成的更新。

public final class Counter {
    private int value;

    public synchronized void increment() {
        value++;
    }

    public synchronized int get() {
        return value;
    }
}

示例的两个实例方法使用同一个对象的 monitor，也就是对象监视器锁。互斥保证同一时刻只有一个线程执行受保护的方法，所以递增过程中不会插入另一次递增。

一次解锁之前的写入，对随后获取同一把锁的线程可见。因此，get() 也要加锁，其他访问 value 的路径同样要遵守这套规则。

机制细节见 synchronized。

7. 线程安全操作的组合

必会卡 · 多个线程安全方法组合后，整体一定线程安全吗？

使用线程安全容器时，还要检查多个方法之间的空隙。并发 Map 的单次操作线程安全，但下面的检查与插入是两次独立调用：

// 写法一：分别检查和插入。
if (!map.containsKey(key)) {
    map.put(key, value);
}

// 写法二：用原子接口替代上面的组合。
Value previous = map.putIfAbsent(key, value);

两种写法的区别在于检查与插入是否原子地完成：

• 第一种写法中，两个线程可同时通过检查，再分别执行 put，后一次写入会覆盖前一次结果。
• 第二种写法使用 putIfAbsent，原子地完成检查与插入。返回非 null 表示已有值，本次没有覆盖它。

若要求首次写入生效，可以采用第二种写法。如果业务条件涉及多个键或多个对象，还需要共同保护整个操作。

即使单次操作内部都使用锁，组合竞态仍可存在。数据竞争与业务竞态因此有不同的判断范围。

8. 常见问题

8.1 方法里只有局部变量就一定线程安全吗？

局部变量也可以指向共享对象，所以仍要检查它引用的对象。保存引用的变量属于当前方法调用，但列表本身可被多个线程访问。因此，通过局部引用调用共享列表的 add 时，仍需同步。

8.2 压力测试一直通过，能证明线程安全吗？

9 · 面试题卡片

先想答案，再翻面先在心里答一遍，再点开卡片对照参考回答。卡片之间可以左右切换，看完会回到这里。

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竞态条件必会

怎样判断一段代码是否线程安全

拼多多

考察 3 点 · 相关 §2 §5

线程安全操作的组合必会

多个线程安全方法组合后，整体一定线程安全吗？

本站自测

考察 1 点 · 相关 §7

本页题目与参考回答

9.1 怎样判断一段代码是否线程安全

出现公司：拼多多

考察重点

• 找出哪些状态被多个线程共享，以及哪些访问会修改它们。
• 说明哪些字段或操作共同维护业务不变量，并据此确定临界区。
• 区分 volatile 的单次访问保证与完整状态转换的要求。

相关内容：竞态条件至同步策略。

参考回答

判断标准是多个线程访问对象时，所有操作仍能保持业务不变量。

这个判断要覆盖共享状态、原子性和可见性：

• 共享状态包括多个线程访问的对象，也包括局部引用指向的共享对象。
• 原子性要求保护完整的状态转换，例如余额检查和扣减，以及多个字段的共同变化。
• 可见性要求所有访问遵守同一同步规则，并能用 happens-before 证明写入对读者可见。

状态只在任务内使用、正确发布后保持不可变，或由单一线程负责时，可以减少加锁需求。需要共享修改时，再按不变量选择锁、原子操作或并发容器。压力测试用于寻找反例，正确性仍需上述推导。

9.2 多个线程安全方法组合后，整体一定线程安全吗？

出现公司：暂无已核验的公开来源（本站自测）

考察重点：说明单个方法为什么安全，以及多个调用之间的空隙怎样破坏业务条件。

相关内容：线程安全操作的组合。

参考回答

多个线程安全方法组合后，整体仍可能存在竞态。

比如，两个线程都通过 containsKey 检查，再分别执行 put，后一次写入就会覆盖前一次结果。

若要求首次写入生效，应使用 putIfAbsent，将检查与插入合成一次原子操作。如果业务条件跨越多个键，则还要为这些键设计共同的同步规则。

10. 参考资料

• JLS 17：Threads and Locks
• Java API：java.util.concurrent 的内存一致性说明
• Java 21 API：ConcurrentMap