在多線程編程中，“線程安全”是一個非常重要但又常被誤解的概念。尤其對于剛接觸多線程的人來說，不理解線程安全的本質，容易寫出“偶爾出錯”的代碼——這類 bug 往往隱蔽且難以復現。

本文將用盡可能通俗的語言，從三個角度解釋線程不安全的常見原因，并提供具體的示例和解決方法。

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一、什么是線程安全？

線程安全（Thread Safety）簡單來說就是：

在多個線程同時執行某段代碼時，無論線程怎么調度、怎么交叉執行，都會得到正確的結果，不會出 bug。

線程安全：

多個線程訪問相同對象時，不會引起數據不一致或狀態混亂。

線程不安全：

同一段代碼，在單線程環境下一切正常，但在多線程環境下，結果可能出錯或不一致。

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二、線程不安全的三大根源

1. 原子性問題：操作不是一步完成的

一個典型例子是變量自增 count++。雖然看起來是一條語句，但其實底層是三條指令：

load   // 從內存讀取 count 到 CPU 寄存器
add    // 在寄存器中執行 +1 操作
store  // 把結果寫回內存

在兩個線程同時執行 count++ 時，可能會出現以下競態（race condition）：

🎯 理想順序（無競態）：線程串行執行

時間軸 →
Thread A：load(0)?→?add(1)?→?store(1)
Thread B：??load(1)?→?add(1)?→?store(2)

最終結果：count = 2（正確，無操作丟失）

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? 競態情況 1：兩個線程都讀取了舊值（0）

時間軸 →
Thread A：load(0)?→?add(1)?----------------->?store(1)
Thread B：??load(0)?→?add(1)?----------------->?store(1)

最終結果：count = 1??（兩個線程都基于舊值 0 進行計算，結果被覆蓋，丟失了一次加法）

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? 競態情況 2：交錯執行導致結果被覆蓋

時間軸 →
Thread A：load(0)?→?add(1)?----------------->?store(1)
Thread B：??load(0)?→?add(1)?→?store(1)

最終結果：count = 1??（Thread A 的存儲操作覆蓋了 Thread B 的結果）

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? 競態情況 3：Thread B 插隊執行完畢

時間軸 →
Thread A：load(0)?→?add(1)
Thread B：??load(0)?→?add(1)?→?store(1)
Thread A：??store(1)

最終結果：count = 1??（Thread A 最后寫入的值覆蓋了 Thread B 的加法結果）

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? 競態情況 4：Thread A 讀值后等待，Thread B 先完成

時間軸 →
Thread A：load(0)
Thread B：??load(0)?→?add(1)?→?store(1)
Thread A：??add(1)?→?store(1)

最終結果：count = 1??（兩個線程都基于同一個初始值 0 進行加法，導致一次加法丟失）

解決方案

• 使用 synchronized 同步關鍵代碼塊

  synchronized (this) {count++;
  }
  

• 使用原子類如 AtomicInteger 實現原子操作

  AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
  count.incrementAndGet(); // 原子性 +1
  

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  3. 指令重排序：執行順序被優化

  為了提升性能，編譯器和 CPU 可能對指令重新排序，只要單線程語義不變即可。但這可能影響多線程環境的執行邏輯。

  例如：

  // 線程 A
  a = 1;
  flag = true;// 線程 B
  if (flag) {System.out.println(a); // 可能輸出 0！
  }
  

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2. 可見性問題：變量更新對其他線程不可見

Java 中每個線程都有自己的工作內存（工作緩存），它會緩存主內存中的變量副本。這就導致：

• 一個線程修改了變量，另一個線程卻看不到。

例如：

volatile boolean running = true;public void stop() {running = false;
}public void run() {while (running) {// 執行某些操作}
}

由于重排序，可能發生 flag = true 提前執行，而 a = 1 還沒發生，導致 a 為默認值 0。

🛠 解決方案：

• 使用 volatile 修飾 flag，防止指令重排；

• 或使用 synchronized，保證順序一致；

• 對不可變對象，使用 final 修飾字段也是一種有效方式。

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三、小結

線程安全問題，來源于我們“看似簡單”的代碼在多線程環境下可能出現的非預期行為：

• 原子性：多步操作被打斷

• 可見性：線程看不到最新值

• 指令重排：操作順序被調整

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