详解Java安全编码指南之可见性和原子性

可见性问题

在Java中，可见性问题主要是由于多线程之间的共享变量引起的。当一个线程修改了共享变量，这个变量的值可能会被其他线程所看到，也可能不会被看到，这就是可见性问题。Java提供了关键字volatile和synchronized来解决可见性问题。

volatile关键字

volatile关键字用于修饰共享变量，它保证了多线程之间对共享变量的访问可见性。使用volatile关键字对于各种开销较小的操作可以提高程序的性能，但是对于一些开销较大的操作，使用volatile关键字可能会影响程序的性能。

下面是一个示例代码，用于展示volatile关键字的用法：

public class VolatileDemo {

    private volatile int count = 0;

    public void increase() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                demo.increase();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                demo.increase();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(demo.count);
    }
}

在上面的代码中，count变量被声明为volatile，在increase()方法中对count的访问是原子的。创建两个线程来对count进行修改，最终输出结果为2000。

synchronized关键字

synchronized关键字保证了多线程之间对共享变量的访问顺序和可见性。使用synchronized关键字可以确保同一时间只有一个线程执行锁定代码块中的代码，从而避免了多线程之间的竞争。

下面是一个示例代码，用于展示synchronized关键字的用法：

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class SynchronizedDemo {

    private int count = 0;

    public synchronized void increase() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo demo = new SynchronizedDemo();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                demo.increase();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                demo.increase();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(demo.count);
    }
}

在上面的代码中，increase()方法被声明为synchronized，在执行该方法时，线程会自动获取该对象的锁定，只有当线程释放锁定后，其他线程才能够继续执行。创建两个线程来对count进行修改，最终输出结果为2000。

原子性问题

在Java中，原子性问题主要是由于多线程之间进行共享变量的读写操作引起的。当多个线程同时对同一个变量进行读写操作时，就可能会出现原子性问题。Java提供了java.util.concurrent.atomic包来解决原子性问题。

java.util.concurrent.atomic包

java.util.concurrent.atomic包提供了一些原子性的类，比如AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong等。这些类提供了一些原子性的方法，比如getAndIncrement()、getAndSet()、compareAndSet()等。

下面是一个示例代码，用于展示java.util.concurrent.atomic包的用法：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicDemo {

    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increase() {
        count.getAndIncrement();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicDemo demo = new AtomicDemo();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                demo.increase();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                demo.increase();
            }
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println(demo.count.get());
    }
}

在上面的代码中，count变量被声明为AtomicInteger，在increase()方法中对count的访问是原子的。创建两个线程来对count进行修改，最终输出结果为2000。

总结

可见性和原子性是Java中的两个重要问题，可以使用volatile、synchronized和java.util.concurrent.atomic包来解决这些问题。在代码编写时，需要注意线程之间的竞争关系，保证代码的正确性和代码的可读性。