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java并发编程基础——线程安全

所有的线程安全问题，都可以归结为同一个原因：共享的可变状态。 “共享”意味着变量可以由多个线程同时访问，“可变”则意味着变量的值在其生命周期内可以发生变化。

编写线程安全代码核心就是对共享可变状态的访问操作进行管理，通过引入 同步机制 来保证任意时刻只有一个线程访问共享可变状态。

共享可变对象

在并发编程中，共享可变对象会面临以下3个问题：

原子性

竞态条件

当某个计算的正确性取决于多个线程的交替执行顺序时，那么就会发生竞态条件。常见两种静态模式：

read-modify-write(读-改-写)操作，该操作细化步骤：读取一个共享变量值(read)，然后根据该值做些计算(modify)，接着更新共享变量的值(write)。
check-then-act(监测后操作)，细化步骤：读取某个共享变量的值，根据该变量值决定下一步动作是什么。

read-modify-write的示例：

@NotThreadSafe
public class UnsafeCounter {
  private int value;

  public int getNext() {
      return value++;
  }
}
复制代码

其中自增操作value++包含了三步子操作：读取value的值，将值加1，最后计算结果写入到vlue值，典型的读改写竞态模式。

check-then-act的示例:

@NotThreadSafe
public class UnsafeSequence {
  private int sequence;
  
  public int getSequence() {
      if(sequence >= 99){ // 步骤1 检查共享变量
          return 0;      // 步骤2 act 检查后操作
      } else {
          return sequence++;
      }
  }
}
复制代码

如何避免竞态条件问题，就需要引入原子操作来保证某个线程在修改共享变量过程中，其他线程不可操作，其他线程只能在原子操作前或原子操作后读取和修改共享变量状态。下面我们来看下什么是原子操作：

原子操作

对于涉及共享变量的访问操作，若该操作从其执行线程以外的任意线程来看是不可分割的，那么该操作就是原子操作，该操作具有原子性。从概念看注意以下两点：

原子操作是针对访问共享变量操作而言的，对于局部变量无所谓是否原子
原子操作是针对多线程环境才有意义

同时不可分割有以下两层含义：

访问（读、写）某个共享变量从其执行线程以外的线程来看，该操作要么已经执行结束，要么尚未发生，不存在执行中这个状态
访问统一组共享变量操作是不能够被交错的。

java中两种方式实现原子性：

使用锁（Lock）锁具有排他性，能搞保障一个共享变量在任意时刻只能够被一个线程访问（关于锁将单独有一章分享）。
利用CAS指令，CAS指令是直接在硬件处理器和内存这一层次的实现，可以被看做是硬件锁（CAS也会单独一章分享）。

可见性

在多线程环境下，一个线程对某个共享变量进行更新之后，后续访问该变量的线程可能无法立刻读取到这个更新的结果，甚至永久无法读取到这个更新结果。这个是线程安全的另一个表现形式：可见性。

可见性问题是由于java的内存模型决定的，具体可以参考 java并发编程——内存模型

java平台如何保证可见性：

volatile关键字，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程
加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性
final可见性：被final修饰的字段在构造器中一旦完成，那么在其他线程就可以看见final字段值

有序性

现代微处理器会通过指令乱序执行(out-of-order execution)来提升执行效率，除了处理器，Java自身的JIT编辑器也会对指令做重排序，最终生成的机器指令可能与字节码顺序并不一致。在并发程序中，指令重排序可能会导致预期之外的执行结果，比如以下的程序，在多线程执行时，线程1中的语句可能会被乱序执行，flg=true可能会先于a=1被执行，则线程2可能会出乎意料地打印出 a = 2。

java平台如何保证内存访问顺序性：

volatile关键字通过添加特定类型内存屏障指令来禁止处理器重排序
加锁来禁止重排序

解决线程安全问题

避免共享状态

无状态的对象一定是线程安全的，典型代表Servlet程序，各个Servlet自身并不持有状态，彼此隔离，互相不干扰。如果持有状态不可避免，则可以使用线程封闭技术，将状态“隐藏起来”，不让别的线程访问到。常见的方法是栈封闭和ThreadLoca两种形式。栈封闭是线程封闭的一种特例，在栈封闭中，只能通过局部变量访问对象，这些局部变量被封闭在执行线程的栈内部，其它线程无法访问到它们。

public int loadTheArk(Collection<Animal> candidates) {
        SortedSet<Animal> animals;
        int numPairs = 0;
        Animal candidate = null;

        // animals confined to method, don't let them escape!
        animals = new TreeSet<Animal>(new SpeciesGenderComparator());
        animals.addAll(candidates);
        for (Animal a : animals) {
            if (candidate == null || !candidate.isPotentialMate(a))
                candidate = a;
            else {
                ark.load(new AnimalPair(candidate, a));
                ++numPairs;
                candidate = null;
            }
        }
        return numPairs;
    }
复制代码

在上面的代码中，animals和candidate是函数的局部变量，被封闭在栈帧内部，不会逸出，被其它线程访问到，所以该方法是线程安全的。关于ThreadLocal会有专门章节介绍，这里面不展开说明。