以下线程安全吗？ 4个线程写入相同的数据结构

Question

假设我有 4 个线程，它们都循环遍历具有 100 个索引的数组，翻转每个索引中的信息位并写回该索引...

arr[];

Thread 1:

for (int i = 0; i< 100; i+=4) { flip bits of arr[i]}

Thread 2:

for (int j = 1; j< 100; j+=4) { flip bits of arr[j]}

Thread 3:

for (int k = 2; k< 100; k+=4) { flip bits of arr[k]}

Thread 4:

for (int l = 3; l< 100; l+=4) { flip bits of arr[l]}

我在并发方面完全是个菜鸟，所以我想知道这是否是一种好的做法，或者是否有其他方法可以做到这一点？

更新：为了清楚起见——如果“arr[i] 的翻转位”和“arr[j] 的翻转位”由于某种原因触及同一个对象/成员，那么“非线程安全”的答案是显而易见的（并且与数组或实际问题无关），因此假设这些操作不会直接或在某些更深层次的对象中接触不同 i 和 j 对的相同内存。

Answer 1

您没有提供足够的细节，因此无法给出明确的答案，所以我会做一些额外的假设。

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线程安全

如果你有：

1. 主线程：int[] arr = new int[100]; //populate array
2. 为主线程中的每个 T1、T2、T3、T4 调用 t.start()，然后在这些线程中运行循环，确保每个线程在不同的索引子集上运行（原始代码中就是这种情况由于 for 循环中的第 4 步）
3. 在主线程中为每个 T1、T2、T2、T4 调用 t.join()

那么您有以下保证：

• 在第 2 步，每个 T1..T4 都将访问同一个正确构造的数组 - 这是因为启动线程会在数组初始化和循环之间创建发生前的关系
• 每个线程对不同的索引进行操作，每个索引可以被视为一个单独的int，因此它们不会相互干扰
• 此时（步骤 2 结束），您没有任何可见性保证：例如，仅保证 T1 所做的更改在 T1 中可见 - 特别是主线程仍然可以在其初始状态
• 因此，您需要通过同步操作“发布”更改 - 一种方法是加入主线程中的线程

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良好做法

这里有几个通用的cmets。

正如另一个答案中所指出的，如果性能是一个问题，您可能应该尝试以对缓存更友好的方式编写代码。

如果每个线程所做的只是对 25 个整数进行一些简单的位操作，那么启动一个线程可能会比操作本身花费更多的时间，并且顺序运行整个事情会更快。如果您有一个已经在运行的线程池（例如 ExecutorService），那么提交任务的开销可能小到足以提供与顺序执行相比的收益。

如果您愿意支付一些性能开销，您还可以使用 java 8 的并行流，它可以让您编写更少的代码：

IntStream.range(0, arr.length).parallel()
         .forEach(i -> flip(arr[i]));

在任何情况下，您都应该衡量您正在做的事情在性能方面是否有意义...

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参考资料：

• Thread.start()/Thread.join() 创建发生在关系之前：JLS #17.4.5

  • 对线程上的start() 的调用发生在已启动线程中的任何操作之前。
  • 线程中的所有操作都发生在任何其他线程从该线程上的join() 成功返回之前。

• 每个数组元素都是独立的：JLS #17.6

  特别是，分别更新字节数组的相邻元素的两个线程不得干扰或交互，并且不需要同步以确保顺序一致性。

  更准确地说，这是在JLS #17.4.1 中定义的，它表示每个数组元素都被视为一个单独的变量，以实现多线程：

  在本章中，我们使用术语变量来指代字段和数组元素。

Answer 2

由于其他线程没有触及数组索引，这应该没问题。不过，你有很多虚假的分享。更好的方法是将索引 0-24 分配给线程 A，将 25-49 分配给线程 B，等等。这样对缓存更加友好。

Answer 3

我假设您的代码只是伪代码。 （它不是标记的 Java 代码，所以也许您最好为我们提供真实的示例代码）。但我会接受你的想法。

你有一个数据结构arr。

你有四个线程同时修改arr。

您的代码不是线程安全的。

为了使其线程安全，您可以使用互斥锁（处理并发的技术之一）。

围绕arr 包裹一个互斥锁。这将锁定arr，并且只有拥有互斥锁的线程才能访问arr。

互斥量应该在for循环开始时获取，在for循环结束时释放。

循环将竞争互斥体，顺序通常是不可预测的。

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P.S.：如果您可以断言没有 arr 元素引用一个对象，而该对象被另一个 arr 元素引用，那么您可能不需要太关心线程安全。不过最好还是写线程安全的代码吧。