java并发与多线程（二）：线程安全

线程可以拥有自己的操作栈、程序计数器、局部变量表等资源，它与同一进程内的其他线程共享该进程的所有资源。线程在生命周期内存在多种状态。有NEW（新建状态）、RUNNABLE（就绪状态）、RUNNING（运行状态）、BLOCKED（阻塞状态）、DEAD（终止状态）五中状态。

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（1） New即新建状态

是线程被创建且未启动的状态。创建线程的方式有三种：第一种是继承Thread类，第二种是实现Runnable接口，第三种是实现Callable接口。相比第一种，推荐第二种方式，因为继承自Thread类往往不符合里氏代换原则，而实现Runnable接口可以使编程更加灵活，对外暴露的细节比较少，让使用者专注于实现线程的run()方法上。第三种call()声明如下：

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由此可知，Callable与Runnable有两点不同：第一，可以通过call()获得返回值。前两种方式都有一个共同的缺陷，即在任务执行完成后，无法直接获取执行结果，需要借助共享变量等获取，而Callable和Future则很好地解决了这个问题；第二，call()可以抛出异常。而Runnable只有通过setDefaultUncaughtExceptionHandler()的方式才能在主线程中捕捉到子线程异常。

（2）RUNNABLE，即就绪状态

是调用start()之后运行之前的状态。线程的start()不能被多次调用，否则会抛出IllegalStateException异常。

（3）RUNNING，即运行状态

是run()正在执行时线程的状态。线程可能会由于某些因素而退出RUNNING，如时间、异常、锁、调度等。

（4）BLOCKED，即阻塞状态

进入此状态，有以下情况。
同步阻塞：锁被其他线程占用
主动阻塞：调用Thread()的某些方法，主动让出CPU执行权，比如sleep()、join()等。
等待阻塞：执行了wait()。

（5）DEAD，即终止状态

是run()执行结束，或因异常退出后的状态，此状态不能逆转。

（顺手插一个自己的记录：start()和run()方法的区别：
1、start方法用来启动相应的线程；
2、run方法只是thread的一个普通方法，在主线程里执行；
3、需要并行处理的代码放在run方法中，start方法启动线程后自动调用run方法；
4、run方法必去是public的访问权限，返回类型为void。）

线程安全问题只在多线程环境下才出现，单线程串行执行不存在此问题。保证并发场景下的线程安全，可以从以下四个维度考量：

（1）数据单线程可见。

单线程总是安全的。通过限制数据仅在单线程内可见，可以避免数据被其他线程篡改。最典型的就是线程局部变量，它存储在独立虚拟机栈帧变量表中，与其他线程毫无瓜葛。ThreadLocal就是采用这种方式来实现线程安全的。

（2）只读对象。

只读对象总是安全的。他的特性是允许复制、拒绝写入。最典型的只读对象有String、Integer等。一个对象想要拒绝任何写入，必须要满足以下条件：使用final关键字修饰类，避免被继承；使用private final关键字避免属性被中途修改；没有任何更新方法；返回值不能可变对象为引用。

（3）线程安全类。

某些线程安全类的内部有非常明确的线程安全机制。比如Stringbuffer就是一个线程安全类，它采用synchronized关键字来修饰相关方法。

（4）同步与锁机制。

如果想要对某个对象进行并发更新操作，但又不属于上述三类，需要开发工程师在代码中实现安全的同步机制。虽然这个机制支持的并发场景很有价值，但非常复杂且容易出现问题。

线程的安全核心理念就是“要么只读，要么加锁”。合理利用好JDK提供的并发包，往往能化腐朽为神奇。Java并发包（java.util.concurrent, JUC）中大多数类注释都写有：@author Doug Lea。如果说Java是一本史书，那么Doug Lea绝对是开疆拓土的伟大人物。Doug Lea在大学当老师时，专攻并发编程和并发数据结构设计，主导设计了JUC并发包，提高了Java并发编程的易用性，大大推进了Java的商用进程。并发包主要分成以下几个类族：

（1）线程同步类。

这些类使线程间的协调更加容易，支持了更加丰富的线程协调场景，逐步淘汰了使用Object的wait()和notify()进行同步的方式。主要代表为CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier等。

（2）并发集合类。

集合并发操作的要求是执行速度快，提取数据准。最著名的类非ConcurrentHas和Map莫属，它不断地优化，由刚开始的锁分段到后来的CAS，不断地提升并发性能。其他还有ConcurrentSkipListMap、CopyOnWriterArrayList、BlockingQueue等。

（3）线程管理类。

虽然Thread和ThreadLocal在JDK1.0就已经引入，但是真正把Thread发扬光大的是线程池。根据实际场景的需要，提供了多重创建线程池的快捷方式，如使用Executors静态工厂或者使用ThreadPoolExecutor等。另外，通过ScheduledExectorService来执行定时任务。

（4）锁相关类。

锁以Lock接口为核心，派生出一些在实际场景中进行互在斥操作的锁相关类。最有名的是ReentrantLock。锁的很多概念在弱化，是因为锁的实现在各种场景中已经通过类库封装进去了。

并发包中的类族有很多，差异比较微妙，开发工程师需要有很好的Java基础、逻辑思维能力，还需要有一定的数据结构基础，才能够彻底分清各个类族的优点、缺点及差异点。
解决线程安全问题的能力时开发工程师进阶的重要能力之一。由于初创公司的业务流量通常比较小，再加上其初级程序员缺乏线程安全意识。所以，即使出现了由高并发导致的错误，往往也由于复现难度大、追踪困难而不了了之。但是在后期的系统重构中，这些公司一定会为以上线程安全隐患买单。