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Java 線程安全深度解析：從非安全示例到解決方案

編輯：Java 相關知識

作為 Java Web 開發者，容器（如 Tomcat）已幫我們處理了大部分線程管理工作，但這不代表我們可以忽視線程安全的基本原理。許多開發者在 Java SE 基礎未紮實前就急著轉向 Java EE，導致知識體系「博而不精」。本文通過一個經典的線程不安全案例，剖析問題根源並提供多種解決思路。

線程不安全的直觀演示

定義一個帶有實例變數的計數器類：

public class Count {
    private int num; // 共享變數
    
    public void count() {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            num += i; // 非原子操作：讀取、計算、寫回
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num);
    }
}

啟動 10 個線程共享同一個 Count 實例：

public class ThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            Count count = new Count(); // 所有線程共享同一實例
            public void run() {
                count.count();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
    }
}

執行結果分析

Thread-0-55
Thread-1-110
Thread-2-165
Thread-3-220
Thread-4-275
Thread-5-330
Thread-6-385
Thread-7-440
Thread-8-495
Thread-9-550

預期每個線程輸出 55（1+2+...+10），實際卻呈現遞增趨勢。原因在於 num += i 不是原子操作，多線程並發讀寫導致數據競爭，後啟動的線程讀取到已被修改的 num 值。

三種解決方案對比

方案一：將共享變數改為局部變數（推薦）

public class Count {
    public void count() {
        int num = 0; // 每次調用創建新的局部變數，線程隔離
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            num += i;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-" + num);
    }
}

原理：局部變數存放在線程私有的棧幀中，天然線程安全，無同步開銷，效能最佳。

方案二：讓每個線程持有獨立實例

public class ThreadTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            public void run() {
                Count count = new Count(); // 每個線程創建自己的實例
                count.count();
            }
        };
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(runnable).start();
        }
    }
}

原理：將共享狀態轉為線程封閉狀態，每個線程操作自己的對象副本，避免競爭。