Byteman 让 i++ 百分百线程不安全

Byteman 让 i++ 百分百线程不安全

在我早期的文章当中，我使用过一个插件 vmlens 实现让 i++ 展现了百分百的线程不安全。在演示示例中，使用了两个线程并发执行 i++，然后就看到了线程不安全的全过程。

但是 vmlens 当时是个付费软件，作者给白嫖用户两周的体验期，虽然我我提了一个 BUG ，也没得到任何的优待。所以很快进行了简单的尝试之后，就放弃探索 vmlens 。

最近开始研究 Byteman 的官方文档过程中，当我看到了关于多线程管理的部分，原来可以控制多个故障的多线程同步，突然意识到有可能到了 vmlens 一样的套路。如果我们可以控制访问一个变量的线程访问（读/写）顺序，那我们应该可以很容易模仿出线程不安全的场景。

既然如此，那我将重现一下 i++ 百分百线程不安全的远古神级。

i++ 为什么不安全

不安全

i++ 是线程不安全的，因为它不是一个原子操作。i++ 其实包含了三个步骤：

1. 读取变量值：从内存中读取变量 i 的当前值。
2. 自增操作：将读取的值加1。
3. 写回变量值：将更新后的值存回内存中。

在单线程环境下，这个过程不会有问题，但在多线程环境中，如果多个线程同时执行 i++，可能会发生竞态条件。例如，两个线程都读取了相同的初始值，但都还没来得及写回时，导致最终只会增加一次，而不是两次。

解决方法

使用同步机制：可以通过使用 synchronized 关键字来确保每次只有一个线程能够访问这个变量进行 i++ 操作。

代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制

synchronized(this) {
    i++;
}

使用原子类：Java 提供了 AtomicInteger 来处理类似的操作，它保证了 i++ 的原子性。

代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
i.incrementAndGet();  // 相当于 i++

这样可以避免多个线程同时修改变量时导致的不一致性。

测试代码

下面是我的测试代码，逻辑非常简单。代码创建了两个线程，每个线程每隔一秒对共享变量 i 进行递增操作，并输出当前值。

代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制

package com.;


public class FunTester {

    static int i = 0;

    public static void test() {
        i++;
        println(().getame() + "     " + i);
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int j = 0; j < 2; j++) {
            new Thread(() -> {
                while (true) {
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    test();
                }
            }).start();
        }

    }

}

这个代码的逻辑可以简单梳理为以下几点：

1. **静态变量 i**：定义了一个静态变量 i，初始值为 0。这是所有线程共享的变量，用来记录每次的递增操作。
2. test() 方法：test() 方法的作用是对 i 进行自增操作，然后输出当前线程的名字和自增后的值。在原代码中，i++ 是线程不安全的，多个线程可能会在读取和写入 i 时发生冲突。
3. main() 方法：在 main() 方法中，使用了一个循环创建了 两个线程，每个线程会进入一个无限循环（while (true)）。每个线程在执行时，都会每隔 1秒（Thread.sleep(1000)）调用一次 test() 方法，执行自增操作，并输出线程名称和当前的 i 值。
4. 多线程执行：两个线程同时运行，不断对 i 进行递增操作，由于 i++ 不是原子操作，线程可能会发生数据竞争，导致递增结果不正确（输出值可能不连续或重复）。

总结：

代码创建了两个线程，每个线程每隔一秒对共享变量 i 进行递增操作，并输出当前值。然而，由于 i++ 操作不是线程安全的，程序可能出现竞态条件，导致输出结果不符合预期。

Byteman rule 脚本

下面是我的 Byteman 脚本的内容：

代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制

RULE sync test
CLASS com..FunTester
METHOD test
HELPER _mesh.byteman.helper.FunHelper
AT ETRY
IF TRUE
DO setThreadame()
EDRULE


RULE async test
CLASS com..FunTester
METHOD test
HELPER _mesh.byteman.helper.FunHelper
AT WRITE i
IF checkThreadame()
DO println(().getame() + "     持有锁");
EDRULE

这个 Byteman 脚本的作用是通过对类 com..FunTester 的 test 方法进行增强，借助 Byteman 的规则动态监控和修改线程执行时的行为。主要目标是通过 FunHelper 来记录和监控线程的名字，并在访问共享变量 i 时输出线程持有锁的信息。下面逐步解释每个规则的含义：

第一条规则：sync test

• RULE 名称：sync test，给这条规则命名为 sync test。
• CLASS：目标类是 com..FunTester，这条规则作用于该类。
• METHOD：这条规则针对 test() 方法，表示要拦截这个方法。
• HELPER：指定了一个辅助类 _mesh.byteman.helper.FunHelper，其中定义了一些辅助方法来支持规则逻辑。
• AT ETRY：该规则触发的时机是在 test() 方法的入口处，也就是方法一开始执行时。
• IF TRUE：条件始终为 TRUE，意味着无条件执行。
• **DO setThreadame()**：在 test() 方法执行时，调用 FunHelper 中的 setThreadame() 方法。这通常是用于记录或设置当前线程的名称。

当 test() 方法执行时，无论什么情况下，都会调用 setThreadame()，可能用于记录每个线程的名称，以便后续跟踪哪个线程正在执行。

第二条规则：async test

• RULE 名称：async test，命名为 async test。
• CLASS：同样作用于类 com..FunTester。
• METHOD：针对 test() 方法。
• HELPER：依然是 _mesh.byteman.helper.FunHelper，同样使用辅助类来提供额外功能。
• AT WRITE i：表示该规则在变量 i 被写入时触发。也就是说，当 i 的值发生改变时，规则会被执行（对应于 i++ 时的写操作）。
• **IF checkThreadame()**：该规则只有在辅助类中的 checkThreadame() 返回 true 时才会触发。这个方法可能会根据线程名称来判断当前线程是否符合某种条件。
• **DO println(().getame() + " 持有锁")**：如果条件为 true，则会打印当前线程的名字，并显示 "持有锁"，表示当前线程正在执行对共享变量 i 的修改操作。

当 test() 方法中的共享变量 i 被写入时（即 i++ 发生时），Byteman 会检查当前线程的名字。如果线程名字满足 checkThreadame() 的条件，就会输出该线程已经持有锁的信息。这可以用于调试或监控，查看哪个线程正在修改共享变量 i，避免竞态条件。

思路

通过这两个脚本，我们就可以在 i++ 赋值的过程中，第一个线程等待第二个线程进来，就能模式两个线程同时完成 i+ 计算，然后在分别开始执行赋值过程。我自己的思路就是在赋值之前做一个阻塞的设置，当一个线程到达，必须等另外一个线程过去，然后自己再执行。这个设计基本上可以保障后来的进程先赋值，因为我再等待的方法中加上了神迹 Thread.sleep(10); 。

实践效果

下面是注入 Byteman 脚本前后，控制台输出日志变化情况：

代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制

Thread-     7
Thread-     8
Thread-2     9
Thread-     10
Thread-2     11
setThreadame  Thread-2
setThreadame  Thread-2
Thread-     持有锁
Thread-     12
setThreadame  Thread-
Thread-2     持有锁
Thread-2     12
setThreadame  Thread-2
Thread-     持有锁
Thread-     1
setThreadame  Thread-
Thread-2     持有锁
Thread-2     1
setThreadame  Thread-2

可以看出，注入前，看着似乎是线程安全的，但是注入之后，每个线程输出的值都是一样的，百分百线程不安全了。

关于 FunHelper

这里实现比较简单，而且粗糙，目前各种实践中积累一些好的设计和场景。打算从 Byteman 源码中再汲取一些营养。后面等我感觉代码成熟了，再来分享一篇文章。有兴趣的可以加好友一起交流一下 Byteman 相关技术话题。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自。原始发表：2024-12-02，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent 删除变量多线程脚本线程安全