一、聊聊并发 — 线程安全到底在说什么

前言

并发编程的目的是为了让程序运行得更快，提高程序的响应速度，虽然我们希望通过多线程执行任务让程序运行得更快，但是同时也会面临非常多的挑战，比如像线程安全问题、线程上下文切换的问题、硬件和软件资源限制等问题，这些都是并发编程给我们带来的难题。其中线程安全问题是我们最关心的问题之一，我们接下来主要就围绕着线程安全的问题来展开。

线程安全性

首先我们要明白，要如何界定线程安全和线程不安全，我查找了很多资料，没能找到一个我认为权威又严谨的定义来界定它们，不过我觉得有一个概念可以帮助我们来区分线程安全和非安全：竞态关系。

那什么叫竞态关系呢。当多个线程同时访问同一个资源，如果这个共享资源对访问顺序敏感，程序的输出结果会严重依赖对事序的致命相依性，这个时候多个线程之间就存在竞态关系，当存在竞态关系的时候，此时程序的执行结果有很多不确定性，也就是说程序运行的结果全凭运气。

那是不是存在竞态关系的线程一定不安全，不存在竞态关系的线程之间一定安全呢？在没有任何其他约束的条件下，不添加额外加的同步，线程间存在竞态关系，那一定不是线程安全的；如果不存在竞态关系，那它们一定是线程安全的。因为竞态关系是发生在共享的资源上，如果没有竞态关系说明了不会对共享资源同时访问，也就不存在线程安全的问题了。

在《Java并发编程实战》一书中给出了线程安全的定义：当多个线程访问某个类时，不管运行环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在主代码中不需要任何额外的同步或者协同，这个类都能表现出正确的行为。而且这本书第一章的开头就这样写道：要编写线程安全的代码，其核心是要对$可变的共享状态$操作访问的管理。其实就是为了防止共享状态在并发访问的时候发生不可控状态，所以对于在线程中共享的那些状态一定要引起我们格外的注意。

Tips:

共享的和可变的状态 这个一定要记牢，这是线程安全的核心

Java线程间消息传递方式

在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。

• 共享内存：共享内存的模型是使用比较多的一种模型。这种通讯模型通过设置一个共享变量，多线程之间通过操作同一个变量的方式达到通讯的目的。但是这种方式就需要我们在操作共享变量的地方或者代码片段中，显式指定线程之间互斥执行。
• 消息传递：消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信。

多线程的通信大部分是通过共享内存来进行的，在Java中多线程的通信方式也是采用共享内存，但是这种方式是有弊端的，这种通信方式其实是线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信，那多线程之间是如何进行公共状态的内存读写，我们没办法显式的看到，所以这就需要我们了解多线程对于内存的读写机制。

Java多线程的内存交互

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存。线程的工作内存中保存了该线程中用到的变量的主内存副本拷贝，线程对共享变量的所有操作都必须在工作内存中进行，不能直接操作主内存变量，而是将变量拷贝到本地内存中，在本地内存操作完成以后，再将结果同步回主内存，不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量。如下图所示：

当线程A需要向线程B发送消息时，首先A通过拷贝主内存中的变量到自己的本地内存中，在本地内存进行处理，处理完成以后，将自己本地内存中的数据同步到到主内存。线程B将线程A同步到主内存中的变量拷贝到自己的本地线程，然后完成自己的处理，如此往复的进行，线程A和线程B就完成了消息的传递。

在这里主要想说ava多线程之间是如何通过共享内存来进行消息传递的，以及多线程和共享变量之间的交互方式。这里我们就对Java内存模型混个眼熟，就先不介绍Java内存模型是什么了，避免给读者们增加负担，我会在接下来的文章中进行详细的介绍，毕竟内存模型也是并发编程中比较重要的一部分内容。

并发带来的问题

通过上面的介绍我们可能了解多线程之间通信的方式，但是这种方式也会带来两个问题：可见性和访问问题。

因为线程之间都是通过访问主内存来进行数据交换的，那假如线程A先读取了某些共享数据，之后线程B对这些数据进行了修改，那么线程A可能看不到线程B对这数据的改动。

当线程A和线程B同时对这个共享数据做出修改时，到底是A线程数据为准还是B线程数据。

除此之外呢，还会带来原子性、重排序问题，这个我们后面的文章会详细的进行介绍。

绝对的线程安全

我们之前说过，线程安全是和可变的共享变量有关系，那如果没有了共享变量或者共享变量不可变，是不是这个类就是绝对的线程安全了？答案是的。这也我们所说的不可变对象和无状态对象，这两种对象一定是线程安全的。

无状态对象

无状态对象，它既不包含任何域，也不包对其他类中域的引用，计算过程中的临时状态仅存于线程栈上，只能由当前线程访问。我们可以认为无状态变量是没有共享状态的，所以是线程安全的。Java中Servlet对象，就是一个无状态的对象。

public class ServletTest implements Servlet {
    public void init(ServletConfig servletConfig) throws ServletException { }

    public ServletConfig getServletConfig() {return null; }

    public void service(ServletRequest servletRequest, ServletResponse servletResponse) throws ServletException, IOException { }

    public String getServletInfo() { return null;}

    public void destroy() { }
}

不可变对象

不可变对象它只有一种状态，而且这种状态由构造函数来控制，不可变对象一旦被创建完成，就没有办法修改。既然它只有一种状态，那就不存在改变的可能，所以不可变对象一定是线程安全的。但是不可变对象，不是所有的域是声明为final类型，它就是不可变的。

当满足以下条件是，对象才是不可变的：

• 对象被创建以后，其状态就不能改变
• 对象的所有域都是final类型。
• 对象是被正确创建的。因为多线程中拿到的对象可能不是一个构建完整的对象。

总结

看完上面的内容，我们可能对并发编程有一个大概的了解。

1. 并发编程的多线程安全问题和共享可变状态有关系
2. Java中多线程的通信方式是通过共享内存来进行的。
3. 无状态、不可变对象一定是线程安全的。
4. 并发编程带来的原子性、可见性、重排序问题

参考：

《Java并发编程实战》