线程安全

线程安全性

定义

  当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

线程安全类的特点

• 原子性

  提供互斥访问，同一时刻只能有一个线程对它进行操作。比如Synchronized、Lock、Atomic（包下的类）、CAS算法

• 可见性

  一个线程对主内存的修改可以及时被其它线程观察到。比如：Synchronized、Volatile

• 有序性

  一个线程观察其它线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序。而符合有序性的类有：Volatile、Synchronized、Lock，除此之外，在某些情况下，其线程的执行也可能是有序的，比如Java内存模型具备一些先天的有序性，而该有序性要求其符合Happens-Before原则

线程安全类举例

原子性

• Synchronized
• Lock
• Atomic（包下的类）
• CAS算法

Synchronized

  依赖于JVM，其特点：

• 修饰代码块

  大括号括起来的代码，作用于调用的对象

• 修饰方法

  整个方法，作用于调用的对象

• 修饰静态方法

  整个静态方法，作用于所有对象

• 修饰类

  括号括起来的部分，作用于所有对象

各种原子性锁的对比

名称	特点
Synchronized	不可中断锁，适合竞争不激烈，可读性好
Lock	可中断锁，多样化同步，竞争激烈时能维持常态
Atomic（包下的类）	竞争激烈时能维持常态，比Lock性能好；只能同步一个值

可见性

  导致共享变量在线程间不可见的原因

• 线程交叉执行
• 重排序结合线程交叉执行
• 共享变量更新后的值没有在工作内存与主存间及时更新

Synchronized

  JMM关于Synchronized的两条规定：

• 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存
• 线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值

Volatile

  通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现

• 对Volatile变量写操作时，会在写操作后加入一条Store屏障指令，将本地内存中的共享变量值刷新到主内存
• 对Volatile变量读操作时，会在读操作前加入一条Load屏障指令，从主内存中读取共享变量

有序性

  Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性

   具有有序性的类有：Volatile、Synchronized、Lock

   其中Synchronized、Lock通过保证某一时刻只有一个线程在执行，相当于单线程，因而可以保证有序性，而Volatile则是通过禁止编译器和处理器对指令重排序进而保证有序性。

  除了这些之外，Java内存模型具备一些先天的有序性。即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常称为Happens-Before原则。如果两个操作的执行次序无法从Happens-Before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性。虚拟机可以随意的对它们进行重排序。

Happens-Before原则

  Happens-Before原则，就是先行发生原则，总共涉及到8条原则：

• 程序次序规则

  一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作

• 锁定规则

  一个Unlock操作先行发生于后面对同一个锁的Lock操作

• Volatile变量规则

  对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作

• 传递规则

  如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C

• 线程启动规则

  Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作

• 线程中断规则

  对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生

• 线程终结规则

  线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束，Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行

• 对象终结规则

  一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始

其它保证线程安全的方法

堆栈封闭

  从JMM中我们得知，所谓堆栈，指的是线程的堆栈。而堆栈封闭，指的就是线程在执行过程中，动态的创建，使用本地变量或对象、在使用结束后，直接销毁该变量或对象，换言之，该变量与对象自始至终都是在一个线程内运作，永远不会在多个线程之间所共享。

  堆栈封闭，表面上感觉高大上，其实际上使用起来异常的简单。

  如下所示：

public void someMethod(){

  long threadSafeInt = 0;

  threadSafeInt++;
}

本地对象引用

  对对象的本地引用略有不同。引用本身不共享。但是，所引用的对象并不存储在每个线程的本地堆栈中。所有对象都存储在共享堆中。

  如果在本地创建的对象从未转义它在其中创建的方法，那么它就是线程安全的。因而我们可以将它传递给其他方法和对象，只要这些方法或对象中没有一个使传递的对象对其他线程可用。

  如下所示：

public void someMethod(){

  LocalObject localObject = new LocalObject();

  localObject.callMethod();
  method2(localObject);
}

public void method2(LocalObject localObject){
  localObject.setValue("value");
}

  本例中的LocalObject实例不从方法返回，也不传递给任何可以从someMethod()方法外部访问的其他对象。执行someMethod()方法的每个线程将创建自己的LocalObject实例，并将其分配给LocalObject引用。因此，这里LocalObject的使用是线程安全的。

  事实上，整个方法someMethod()是线程安全的。即使LocalObject实例作为参数传递给同一类或其他类中的其他方法，它的使用也是线程安全的。

  当然，唯一的例外是，如果以LocalObject作为参数调用的方法之一以允许从其他线程访问LocalObject实例的方式存储LocalObject实例。