教程：检测并发问题

与单线程应用程序中的错误相比，并发相关的错误通常更棘手，因为它们具有随机性。一个应用程序可能会无故运行一千次，但随后出于未知原因突然失败。

在本教程中，我们将分析一个代码示例，该示例演示了调试和分析多线程应用程序的核心原理。

问题

一个常见的并发相关错误示例是竞争条件。当多个线程同时修改共享数据而未正确同步时，就会发生这种情况。只要两个线程中的读取和写入不重叠，这样的代码可能运行良好。

这种重叠可能非常罕见，从而让我们误以为代码中没有缺陷。但是，当线程操作重叠时，数据会被破坏。

如果我们不考虑这一点，就无法保证线程不会同时操作数据，尤其是当我们处理比单次读取和写入更复杂的内容时。幸运的是，Java 具有内置的同步机制，确保一次只有一个线程处理数据。

让我们考虑以下代码：

            import java.util.*;

            public class ConcurrencyTest {
                static final List a = Collections.synchronizedList(new ArrayList());

                public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
                    Thread t = new Thread(() -> addIfAbsent(17));
                    t.start();
                    addIfAbsent(17);
                    t.join();
                    System.out.println(a);
                }

                private static void addIfAbsent(int x) {
                    if (!a.contains(x)) {
                        a.add(x);
                    }
                }
            }
        
  

addIfAbsent 方法检查列表是否包含特定元素，如果不包含，则添加它。我们从不同的线程调用此方法两次。两次传递相同的整数值（17 ），并且由于保护条件（(!a.contains(x)) ），只有第一个调用该方法的线程应该能够添加该值。使用 SynchronizedList 是为了防止竞争条件。最后， System.out.println(a) 语句打印出列表的内容。

如果我们长期使用此代码，会发现它有时仍会产生意外结果。

要找出原因，让我们检查代码的运行方式，看看我们是否真的设法防止了竞争条件。

复现该错误

使用 IntelliJ IDEA 调试器，您可以通过控制单个线程的执行而不是整个应用程序，测试应用程序的多线程设计并重现并发相关的错误。

在将元素添加到列表的语句处设置断点。
将断点配置为仅挂起其被击中的线程。这将确保两个线程在同一行暂停。要执行此操作，请右键点击断点，然后点击会话。
如果您经常挂起单个线程，可以点击设为默认使每个新的断点仅挂起其命中的线程。
通过点击运行按钮（位于 main 方法附近）并选择调试开始调试会话。
当程序运行时，两个线程分别在 addIfAbsent 方法中被挂起。现在，您可以在线程选项卡中切换线程并控制每个线程的执行。
此时，两个线程都已经检查过列表中不包含 17 ，并准备将该数字添加到列表中。
在线程选项卡中，切换到 Thread-0。
通过按下 F9 或点击恢复线程，位于调试工具窗口的左侧。
恢复 Thread-0 后，会继续将 17 添加到列表中，然后终止。之后，调试器会自动切换回主线程。
恢复主线程以执行剩余的语句，然后终止。
请查看控制台选项卡中的程序输出。

输出 [17, 17] 显示，两个线程能够绕过设置不正确的保护条件和同步，添加了相同的值。我们使用调试器重现了事件的顺序，这表明存在竞争条件，我们需要纠正我们的方法。

修复程序

正如我们刚刚看到的，仅使用 SynchronizedList 是不够的。它确保一次只有一个线程修改列表。但是，我们仍然应该考虑到，检查 if (!a.contains(x)) 和修改 a.add(x) 不是一个原子操作。因此，两个线程都能够评估条件并同时进入代码块。

让我们通过将条件包装在一个同步块中来修正代码。

            private static void addIfAbsent(int x) {
                synchronized (a) {
                    if (!a.contains(x)) {
                        a.add(x);
                    }
                }
            }
        
  

现在我们可以用修正后的代码重复该过程，并确保问题不再存在。

最后修改日期： 2025年 4月 24日