根据Brian Gortz定义的线程安全是：当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的。

在代码上的要求是，代码本身封装了所有必要的正确性保障手段，令调用者无需关心多线程的问题，更无需自己采取任何措施来保证多线程的正确调用。

Java代码可以实现线程安全，JVM也提供了同步和锁机制。

多线程问题

在多线程并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。

• 原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
• 可见性：是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
• 有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

Java的线程安全程度

按照安全程度由强至弱排序，可以分为5类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容、线程对立。

• 不可变，基本数据类型加final修饰；对象的行为不会对本身的状态产生任何影响，就保障数据不可变。不可变的对象一定是线程安全的，是最简单的实现。
• 绝对线程安全，调用者不需要任何额外的同步措施，访问对象的方法都被synchronized修饰为同步方法。但也并非使用时完全不考虑同步，同时效率较低。
• 相对线程安全，保证对这个对象单独的操作是线程安全的，但是特殊情况下也需要加额外的手段保证线程安全。java.util.concurrent包下都是支持此安全程度的API。
• 线程兼容，对象不是线程安全的，需要调用端使用同步手段来实现线程安全。
• 线程对立，无法支持线程安全，Java语言基本上不存在这类情况。

互斥同步实现线程安全

互斥同步（Mutual Exclusion & Synchronization），就是在多个线程并发访问共享数据时，使用互斥来保证共享数据在同一个时刻只被一个或一些线程使用。

Java中有两个最主要方法：synchronized、ReentrantLock。

临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）都是主要的互斥实现方式。

• synchronized

Java中最基本的互斥同步手段是synchronized关键字，该关键字经过编译后，会在同步块前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。monitorenter和monitorexit都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。

执行monitorenter时，首先要尝试获取对象的锁。成功获取对象的锁，则把锁的计数器加1。获取失败则当前线程阻塞等待，直到对象锁被释放。

执行monitorexit时就就对象的锁减1，当计数器为0时，锁就被释放。

synchronized是映射到操作系统的原生线程完成，是较重的操作，在用户态转换到核心态时，需要耗费大量时间。后期的JDK对此进行了优化，加入自旋等待策略。

synchronized可以直接指定reference参数。

如果synchronized修饰的是实例方法，reference参数就是this。

如果修饰的是类方法，reference就是此类的class对象。

• ReentrantLock

除了synchronized之外，还可以用java.util.concurrent包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步。是API层面的互斥锁，用lock unlock 配合try finally完成。加入了等待可中断、公平锁、锁绑定多个条件等高级功能，但并非性能更强。

非阻塞同步实现线程安全

非阻塞同步（Non-Blocking Synchronization），基于冲突检测的乐观并发策略实现线程安全：先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作成功；如果有竞争，产生了冲突，那就再采取其他的补偿措施。

这是性能更好的实现方式，但是这个需要硬件指令集支持：

• 测试并设置（Test and Set）
• 获取并增加（Fetch and Increment）
• 交换（Swap）
• 比较并交换（Compare and Swap，CAS）
• 加载链接、条件存储（Load Linked、Store Conditional，LL、SC）

其中CAS由sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapInt和compareAndSwapLong等几个方法包装提供，由JVM特殊处理。java.util.concurrent包的整数原子类就是包装了Unsafe类的CAS。

CAS需要有3个操作数：内存位置（变量的内存地址V）、旧预期值（A）、新值（B）。CAS执行时，当且仅当V符合A时，用B更新V，否则不进行更新，但无论是否更新V，都会返回V的旧值，上述处理过程是原子操作。

代码实现线程安全

让一个方法不涉及共享数据，那它自然就无需任何同步措施。这里有两类是天生线程安全的，可重入代码和线程本地存储。

• 可重入代码（Reentrant Code），可以任意环境执行一段代码并保证返回结果是可以预测的。在代码中不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、状态量由参数传入、不调用非可重入代码。
• 线程本地存储（Thread Local Storage），当出现有与其他代码共享数据需求的，如果能保证在同一线程中执行，则可以将数据放在线程的本地存储java.lang.ThreadLocal中，这个对象只有当前线程可用。如果是多个线程访问此数据，那么可以使用volatile声明为易变的。

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