線程安全定義

《Java Concurrency In Practice》一書中定義“線程安全”：當(dāng)多個(gè)線程訪問一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果不用考慮這些線程在運(yùn)行時(shí)環(huán)境下的調(diào)度和交替執(zhí)行，也不需要進(jìn)行額外的同步，或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其他的協(xié)調(diào)操作，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都可以獲得正確的結(jié)果，那這個(gè)對(duì)象是線程安全的。
這個(gè)定義比較嚴(yán)謹(jǐn)，它要求線程安全的代碼都必須具備一個(gè)特征：代碼本身封裝了所有必要的正確性保障手段（如互斥同步等），令調(diào)用者無須關(guān)心多線程的問題，更無須自己采取任何措施來保證多線程的正確調(diào)用。
Java語言中線程安全中，各種操作共享的數(shù)據(jù)分為以下5類：不可變、絕對(duì)線程安全、相對(duì)線程安全、線程兼容和線程對(duì)立。

不可變

不可變的對(duì)象一定是線程安全的，不論對(duì)象的方法實(shí)現(xiàn)還是方法的調(diào)用者，都不需要采取任何線程安全保障措施。“不可變”帶來的安全性是最簡(jiǎn)單和最純粹的。
在Java語言中，如果共享數(shù)據(jù)是一個(gè)基本數(shù)據(jù)類型，只要final關(guān)鍵字修飾就可以保證它是不可變的。如果共享對(duì)象是一個(gè)對(duì)象，那就需要保證對(duì)象的行為不會(huì)對(duì)其狀態(tài)產(chǎn)生任何影響才行。

絕對(duì)線程安全

完全滿足上訴線程安全的定義，這個(gè)定義其實(shí)是很嚴(yán)格的，通常需要付出很大的代價(jià)才能達(dá)到，甚至有時(shí)候是不切實(shí)際的代價(jià)。

相對(duì)線程安全

相對(duì)的線程安全就是我們通常意義上所講的線程安全，它需要保證對(duì)這個(gè)對(duì)象單獨(dú)的操作是線程安全的。我們?cè)谡{(diào)用的時(shí)候不需要做額外的保障措施，但是對(duì)于一些特定順序的連續(xù)調(diào)用，就可能需要在調(diào)用端使用額外的同步手段來保證調(diào)用的正確性。在Java語言中，大部分的線程安全類都屬于這種類型，例如Vector、HashTable、Collections的synchronizedCollection()方法包裝的集合等。

線程兼容

線程兼容是指對(duì)象本身并不是線程安全的，但是可以通過在調(diào)用端正確地使用同步手段來保證對(duì)象在并發(fā)環(huán)境中可以安全地使用，我們平常說一個(gè)類不是線程安全的，絕大多數(shù)時(shí)候指的是這種情況。Java API中大部分的類都是屬于線程兼容的，如ArrayList和HashMap等。

線程對(duì)立

線程對(duì)立指無論調(diào)用端是否采取了同步措施，都無法在多線程環(huán)境中并發(fā)使用的代碼。由于Java語言天生就具備多線程特性，線程對(duì)立這種排斥多線程的代碼是很少出現(xiàn)，而且通常都是有害的，應(yīng)當(dāng)避免。常見的例子有Thread類的suspend()和resume()方法，System.setIn()、System.setOut()和System.runFinalizersOnExit()等。

線程安全的實(shí)現(xiàn)

互斥同步

互斥同步（Mutual Exclusion & Synchronion）是常見的一種并發(fā)正確性保障手段。同步是指在多個(gè)線程并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)時(shí)，保證共享數(shù)據(jù)在同一時(shí)刻只被一個(gè)（或者是一些，使用信號(hào)量的時(shí)候）線程使用。而互斥是實(shí)現(xiàn)同步的一種手段，臨界區(qū)（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信號(hào)量（Semaphore）都是主要的互斥實(shí)現(xiàn)方式。因此這里面，互斥是因，同步是果，互斥是方法，同步是目的。
在Java中，最基本的互斥同步方法就是synchronized關(guān)鍵字，synchronized關(guān)鍵字經(jīng)過編譯之后，會(huì)在同步塊的前后分別形成monitorenter和monitorexit這兩個(gè)字節(jié)碼指令，這兩個(gè)字節(jié)碼都需要一個(gè)reference類型的參數(shù)來明確要鎖定和解鎖的對(duì)象。synchronized同步塊對(duì)同一線程來說是可重入的 ，不會(huì)出現(xiàn)自己把自己鎖死的情況，其次，同步塊在已進(jìn)入線程執(zhí)行完之前，會(huì)阻塞后面其他線程的進(jìn)入。
除了使用synchronized之外，我們還可以使用java.util.concurrent包中的重入鎖（ReentrantLock）來實(shí)現(xiàn)同步。相比于synchronized，ReentrantLock增加了一些高級(jí)功能：

• 等待可中斷是指當(dāng)持有鎖的線程長(zhǎng)期不釋放鎖的時(shí)候，正在等待的線程可以選擇放棄等待，改為處理其他事情，可中斷特性對(duì)處理執(zhí)行非常長(zhǎng)的同步塊很有幫助
• 公平鎖是指多個(gè)線程在等待同一個(gè)鎖時(shí)，必須按照申請(qǐng)鎖的時(shí)間順序來依次獲得鎖；而非公平鎖則不保證這一點(diǎn)，在鎖被釋放時(shí)，任何一個(gè)等待鎖的線程都有機(jī)會(huì)獲得鎖。synchronized是非公平鎖，ReentrantLock默認(rèn)情況下是非公平的，但是可以設(shè)置成公平鎖
• 鎖綁定多個(gè)條件是指一個(gè)ReentrantLock對(duì)象可以同時(shí)綁定多個(gè)Condition對(duì)象，而synchronized中，鎖對(duì)象的wait()和notify()或者notifyAll()方法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)隱含的條件，如果要和多于一個(gè)條件關(guān)聯(lián)的時(shí)候，就不得不額外地添加一個(gè)鎖，而ReentrantLock則無須這樣做，只需要多次調(diào)用newCondition()方法即可。

非阻塞同步

互斥同步最主要的問題就是進(jìn)行線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題，因此這種同步也稱為阻塞同步（Blocking Synchronization）。從出了問題的方式來說，互斥同步是一種悲觀的并發(fā)策略，總是認(rèn)為要是不做正確的同步措施，就肯定出現(xiàn)問題。隨著硬件指令集的發(fā)展，可以采用基于沖突檢測(cè)的樂觀并發(fā)策略，通俗的將就是先進(jìn)行操作，產(chǎn)生了沖突，那就再采取其他補(bǔ)償措施，這種樂觀的并發(fā)策略許多實(shí)現(xiàn)都不需要把線程掛起，因此這種同步操作稱為非阻塞同步（Non-Blockinig Synchronization）。

無同步方案

要保證線程安全，并不是一定要進(jìn)行同步，兩者沒有因果關(guān)系。同步只是保證共享數(shù)據(jù)爭(zhēng)用時(shí)的正確性的手段，如果一個(gè)方法本來就不涉及共享數(shù)據(jù)，那它自然就無須任何同步措施去保證正確性，因此會(huì)有一些代碼天生就是線程安全的。
可重入代碼：這種代碼也叫做純代碼（Pure Code），可以在代碼執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷它，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行另外一段代碼（包括遞歸調(diào)用本身），而在控制權(quán)返回后，原來的程序不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。相對(duì)線程安全來說，可重入性是更基本的特性，它可以保證線程安全，即所有的可重入代碼都是線程安全的，但是并不是所有的線程安全代碼都是可重入的?？芍厝氪a有一些共同特征，例如不依賴存儲(chǔ)在堆上的數(shù)據(jù)和公用的系統(tǒng)資源，用到的狀態(tài)量都由參數(shù)中傳入、不調(diào)用非可重入的方法等。
線程本地存儲(chǔ)（Thread Local Storage）：如果一段代碼中所需要的數(shù)據(jù)必須與其他代碼共享，那就看看這些共享數(shù)據(jù)是否能保證在同一個(gè)線程中執(zhí)行，如果能保證，就可以把共享數(shù)據(jù)的可見范圍限制在同一線程之內(nèi)，這樣無須同步也能保證下城之間不出現(xiàn)數(shù)據(jù)爭(zhēng)用的問題。
符合這種特點(diǎn)的應(yīng)用并不少，典型的就是消費(fèi)隊(duì)列架構(gòu)模式，都會(huì)將產(chǎn)品的消費(fèi)過程盡量在一個(gè)線程中消費(fèi)完。Java語言中，如果一個(gè)變量要被多線程訪問，可以使用volatile關(guān)鍵字聲明為“易變的”：如果一個(gè)變量要被某個(gè)線程獨(dú)享，可以通過java.lang.ThreadLocal類來實(shí)現(xiàn)線程本地存儲(chǔ)的功能。每個(gè)線程的Thread對(duì)象都有一個(gè)ThreadLocalMap對(duì)象，這個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)了一組以ThreadLocal.threadLocalHashCode為鍵，以本地線程變量為值的K-V值對(duì)，ThreadLocal對(duì)象就是當(dāng)前線程的ThreadLocalMap的訪問入口，每個(gè)ThreadLocal對(duì)象都包含了獨(dú)一無二的threadLocalHashCode值，使用這個(gè)值就可以在線程K-V值對(duì)中找回對(duì)應(yīng)的本地線程變量。

參考資料

• 深入理解Java虛擬機(jī) JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐 第2版