线程安全 如何实现线程安全 volatile ThreadLocal

什么是线程安全

多线程执行某段代码，不对这段代码进行同步处理、线程间的协调，程序运行的结果仍与预期一致，这就是线程安全。

多线程编程的三个核心概念

• 原子性: 同数据库事务的原子性，一些操作要么全部成功，要么全部失败，经典的例子就是银行转账。
• 可见性：多线程并发访问共享变量时，某个线程对共享变量的更新，其他线程能立即看到这个更新。

在java中，对象储存在主内存。每个线程都有自己的工作内存，线程从主内存读取对象到工作内存，执行更新对象操作，立即更新工作内存，但没有立即刷新到主内存，故其他线程仍然读到旧值。

• 顺序性: 指程序顺序执行代码中的操作。

编译器、处理器会进行指令重排序，优化代码，以提高处理速度。程序实际的执行顺序可能与代码中的不一样，但编译器、处理器保证结果是一样的。这不会影响单线程的正确性，但会影响多线程的正确性。

要保证多线程程序正确执行，必需保证原子性、可见性、顺序性。

synchronized、ReentrantLock

使用synchronized、ReentrantLock作用于一段代码，同一时刻只能有一个线程能进入这段代码，保证了原子性、顺序性。使用synchronized、ReentrantLock获取到锁，线程更新共享变量后会立即刷新到主内存，其他线程获取到同一个锁时会将缓存失效并从主内存读取新值，保证了可见性。注意是同一个锁才能保证可见性。synchronized、ReentrantLock的性能较差，因为一个线程占有锁，其他线程会阻塞，线程的挂起和唤醒会降低处理速度。

原子操作类

使用AtmoicInteger、AtmoicLong、AtmoicReference来保证原子性，底层使用CAS（compare and swap）。CAS（compare and swap）是非阻塞同步的计算机指令， 它有三个操作数，内存位置、旧的预期值、新值，当内存位置的值与旧的预期值相等时才将新值存入内存位置。对于ABA问题，可使用AtomicStampedReference，通过引入版本号解决。

volatile

volatile能保证可见性和一定程度的顺序性。
变量被volatile修饰时，线程对变量进行写操作时jvm会向处理器发送lock前缀指令，lock前缀指令相当于内存屏障。
内存屏障的功能

• 写操作修改的值会立即刷新到主内存，并设置其他线程的缓存无效，线程读取变量必需从主内存读取新值，保证了可见性。
• 禁止指令重排序，后面的指令不能再内存屏障之前，前面的指令不能再内存屏障之后，保证一定程度的顺序性。

ThreadLocal

每个线程Thread都有一个ThreadLocalMap的变量threadLocals。
ThreadLocal不存储对象，对象存储于每个线程的ThreadLocalMap。ThreadLocal就是对当前线程的ThreadLocalMap进行增删改查。

ThreadLocal中的内存泄露问题

ThreadLocalMap的key是弱引用，这个key就是ThreadLocal对象。
若ThreadLocal变量被设置为null后，且没有强引用指向这个ThreadLocal对象，根据垃圾回收的可达性分析算法，该ThreadLocal对象将被回收，ThreadLocalMap中某个Entry的key就会变为null，不能再使用的value无法释放内存，造成内存泄露。
ThreadLocalMap的补救措施，调用getEntry()、set()、remove()方法会清除key为null的entry。但不调用这三个方法仍然会有内存泄露问题，因此当ThreadLocal使用完时应当remove掉。

如何实现线程安全

• 互斥同步: 使用synchronized、ReentrantLock作用于一段代码，同一时刻只能有一个线程能进入这段代码，保证了原子性、可见性、顺序性。
• 非阻塞同步： CAS（compare and swap）是非阻塞同步的计算机指令， 它有三个操作数，内存位置、旧的预期值、新值，当内存位置的值与旧的预期值相等时才将新值存入内存位置。对于ABA问题，可使用AtomicStampedReference，通过引入版本号解决。
• 无同步: 使用ThreadLocal将共享变量的可见性限制在线程内部，每个线程维护一个共享变量的副本，线程间相互隔离，不再争用数据。