你的Java并发程序Bug，100%是这几个原因造成的("揭秘Java并发程序常见Bug：这几点原因你不可不知")

一、并发编程简介

在计算机科学中，并发编程是一种编程范式，允许多个任务在同一时间内执行。Java作为一种赞成多线程的语言，提供了多彩的并发编程工具和API。然而，并发编程并非易事，它涉及到许多纷乱的概念和机制。在Java并发编程中，Bug是难以避免的，但了解常见Bug的原因，有助于我们更好地编写高效的并发程序。

二、常见Java并发程序Bug原因

以下是几个允许Java并发程序出现Bug的常见原因：

1. 竞态条件（Race Conditions）

竞态条件是指多个线程同时访问共享资源，且至少有一个线程的操作依靠于其他线程的操作因此。这种情况下，程序的执行因此也许取决于线程的执行顺序，从而允许不可预测的因此。

public class Counter {
    private int count = 0;
    public void increment() {
        count++; // 非原子操作
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在上面的代码中，increment()方法中的count++操作实际上是一个非原子操作，它由三个步骤组成：读取count的值，提高1，然后将新值写回count。如果两个线程同时执行这个操作，它们也许会读取相同的值，然后提高1，最后写回相同的值，允许计数器的值没有正确提高。

2. 死锁（Deadlocks）

死锁是指两个或多个线程在等待对方释放锁时，造成二者之间等待，允许程序无法继续执行的状态。死锁通常出现在以下四个条件同时满足时：

• 互斥条件：资源不能被多个线程共享，只能由一个线程独占。
• 持有和等待条件：线程已经持有至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其他线程持有。
• 非抢占条件：线程所获得的资源在未使用完之前，不能被其他线程强行抢占。
• 循环等待条件：多个线程形成一种头尾相连的循环等待资源关系。

public class DeadlockDemo {
    public static void main(String[] args) {
        final Object resource1 = "Resource1";
        final Object resource2 = "Resource2";
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println("Thread 1: Locked resource 1");
                try { Thread.sleep(100); } catch (Exception e) {}
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println("Thread 1: Locked resource 2");
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println("Thread 2: Locked resource 2");
                try { Thread.sleep(100); } catch (Exception e) {}
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println("Thread 2: Locked resource 1");
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

在上面的代码中，线程t1和t2都在尝试以不同的顺序锁定两个资源，这也许允许死锁。

3. 活锁（Livelocks）

活锁是指线程在执行过程中，虽然没有被阻塞，但始终无法完成任务，允许程序无法继续执行。活锁通常出现在以下情况：线程在执行过程中，逐步重复相同的操作，但每次操作都无法顺利，出于其他线程也在执行类似的操作。

public class LivelockDemo {
    private static final Object resource1 = "Resource1";
    private static final Object resource2 = "Resource2";
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println("Thread 1: Locked resource 1");
                    try { Thread.sleep(100); } catch (Exception e) {}
                    synchronized (resource2) {
                        System.out.println("Thread 1: Locked resource 2");
                    }
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println("Thread 2: Locked resource 2");
                    try { Thread.sleep(100); } catch (Exception e) {}
                    synchronized (resource1) {
                        System.out.println("Thread 2: Locked resource 1");
                    }
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

在上面的代码中，线程t1和t2都在尝试以相同的顺序锁定两个资源，但每次都无法顺利，允许活锁。

4. 谬误的线程同步

谬误的线程同步也许允许程序出现死锁、竞态条件等问题。以下是一些常见的谬误线程同步示例：

• 使用谬误的锁对象：在同步代码块中，使用了谬误的锁对象，允许同步落败。
• 不完整的同步：只同步了部分代码，允许程序在未同步的代码部分出现竞态条件。
• 谬误的锁顺序：线程以谬误的顺序获取锁，也许允许死锁。

public class IncorrectSyncDemo {
    private Object lock1 = new Object();
    private Object lock2 = new Object();
    public void method1() {
        synchronized (lock1) {
            // ...
            synchronized (lock2) {
                // ...
            }
        }
    }
    public void method2() {
        synchronized (lock2) {
            // ...
            synchronized (lock1) {
                // ...
            }
        }
    }
}

在上面的代码中，method1()和method2()中的同步块以不同的顺序获取锁，也许允许死锁。

5. 内存可见性问题

内存可见性问题是指线程修改了共享变量的值，但其他线程看不到这个修改的因此。这是出于在Java中，线程之间的变量共享是通过主内存和线程私有的本地内存来实现的。当线程修改共享变量时，它也许只修改了本地内存中的副本，而没有立即同步到主内存中。

public class VisibilityDemo {
    private static boolean flag = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try { Thread.sleep(1000); } catch (Exception e) {}
            flag = true;
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while (!flag) {
                // 循环等待flag变为true
            }
            System.out.println("Flag is true");
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

在上面的代码中，线程t1修改了flag的值，但线程t2也许看不到这个修改，允许它永远无法退出循环。

三、怎样避免Java并发程序Bug

为了避免Java并发程序中的Bug，我们可以采取以下措施：

• 使用原子操作：尽量使用Java提供的原子操作类，如AtomicInteger、AtomicReference等，来避免竞态条件。
• 合理使用锁：基于程序的需求，选择合适的锁，如synchronized、ReentrantLock等，并遵循正确的锁顺序。
• 避免死锁和活锁：分析程序中的资源依靠关系，避免循环等待条件，并使用tryLock()等方法来避免死锁。
• 确保内存可见性：使用volatile关键字或锁来确保共享变量的修改对其他线程可见。
• 使用并发工具类：Java提供了许多并发工具类，如CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier等，可以帮助我们更好地管理并发。

四、总结

Java并发编程是一项纷乱的任务，它涉及到许多容易出错的概念和机制。了解常见Bug的原因，可以帮助我们更好地编写高效的并发程序。通过合理使用原子操作、锁、并发工具类等方法，我们可以避免竞态条件、死锁、活锁、谬误的线程同步和内存可见性问题，从而减成本时间程序的性能和稳定性。

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