1.线程安全
当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的。
这个定义比较严谨，它要求线程安全的代码都必须具备一个特征：代码本身封装了所有必要的正确性保障手段（如互斥同步等），令调用者无需关心多线程的问题，更无须自己采取任何措施来保证多线程的正确调用。
2.Java语言中的线程安全
我们这里讨论的线程安全，就限定于多个线程之间存在共享数据这个前提，因为如果一段代码根本不会与其他线程共享数据，那么从线程安全的角度来看，程序是串行执行还是多线程执行对它来说是完全没有区别的。按照线程安全的“安全程度”由强至弱来排序，我们可以将Java语言中各种操作共享的数据分为以下5类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。
2.1.不可变
在Java语言中，不可变（Immutable）的对象一定是线程安全的，无论是对象的方法实现还是方法的调用者，都不需要再采取任何的线程安全保障措施。
在Java语言中，如果共享数据是一个基本数据类型，那么只要在定义时使用final关键字修饰它就可以保证它是不可变的。如果共享数据是一个对象，那就需要保证对象的行为不会对其状态产生任何影响才行。例如，java.lang.String类的对象，它是一个典型的不可变对象，我们调用它的substring()、replace()和concat()这些方法都不会影响它原来的值，只会返回一个新构造的字符串对象。保证对象行为不影响自己状态的途径有很多种，其中最简单的就是把对象中带有状态的变量都声明为final类型，这样在构造函数结束之后，它就是不可变的。例如 java.lang.Integer类，它通过将内部状态变量value定义为final来保障状态不变。
/**
* The value of the {@code Integer}.
*
* @serial
*/
private final int value;
/**
* Constructs a newly allocated {@code Integer} object that
* represents the specified {@code int} value.
*
* @param value the value to be represented by the
* {@code Integer} object.
*/
public Integer(int value) {
this.value = value;
}
2.2.绝对线程安全
绝对的线程安全完全满足线程安全的定义，这个定义其实是很严格的，一个类要达到“不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施”通常需要付出很大的甚至有时候是不切实际的代价。在Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对的线程安全。
java.util.Vector是一个线程安全的容器，但是也不意味着调用它的时候永远都不在需要同步手段了，例如如下的测试代码。
package com.nwpu.davince.array;
import java.util.Vector;
public class VectorDemo {
private static Vector vector = new Vector();
public static void main(String[] args) throws Exception{
while (true) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
vector.add(i);
}
Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
vector.remove(i);
}
}
});
Thread printThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
System.out.println(vector.get(i));
}
}
});
removeThread.start();
printThread.start();
while (Thread.activeCount() > 10);
}
}
}
运行结果如下：
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 10
at java.util.Vector.get(Vector.java:748)
at com.nwpu.davince.array.VectorDemo$2.run(VectorDemo.java:28)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
很明显，尽管这里使用到的Vector的get()、remove()和size()方法都是同步的，但是在多线程的环境中，如果不在方法调用端做额外的同步措施的话，使用这段代码仍是线程不安全的，因为如果在另一个线程恰好在错误的时间里删除了一个元素导致序号 i 不再可用，再用 i 访问数组时就会抛出java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException数组越界异常，所以必须加入同步以保证Vector访问的线程安全性。
package com.nwpu.davince.array;
import java.util.Vector;
public class VectorDemo {
private static Vector vector = new Vector();
public static void main(String[] args) throws Exception {
while (true) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
vector.add(i);
}
Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (vector) {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
vector.remove(i);
}
}
}
});
Thread printThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (vector) {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
System.out.println(vector.get(i));
}
}
}
});
removeThread.start();
printThread.start();
while (Thread.activeCount() > 10);
}
}
}
2.3.相对线程安全
相对的线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全，它需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，我们在调用的时候不需要做额外的保障措施，但是对于一些特定顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。在Java语言中，大部分的线程安全类都输这种类型，例如Vector、HashTable、Collections的synchronizedCollection()方法包装的集合等。
2.4.线程兼容
线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证在并发环境中可以安全地使用，我们平常所说的一个类不是线程安全的，大部分都是指这种情况。
2.5.线程对立
线程对立是指无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。由于Java语言天生就具备多线程特性，线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的，而且通常都是有害的，应当尽量避免。一个线程对立的例子是Thread类的suspend()和resume()方法，如果有两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试去中断线程，另一个尝试去恢复线程，如果并发进行的话，无论调用时是否进行同步，目标线程都存在死锁的风险。
3.线程安全的实现方法
了解了什么是线程安全之后，紧接着的一个问题就是我们应该如何实现线程安全，这听起来似乎是一件有代码如何编写来决定的事情，确实，如何实现线程安全与代码编写有很大的关系，但虚拟机提供的同步和锁机制也起到了非常重要的作用。
3.1.互斥同步
互斥同步（Mutual Exclusion&Synchronization）是常见的一种并发正确性的保障手段。同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一个（或者是一些，使用信号量的时候）线程使用。互斥是实现同步的一种手段，临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）都是主要的互斥实现方式。
在Java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference；如果没有明确指定，那就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法，去取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。
根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁，如果这个对象没有被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1，相应的，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁就被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另一个线程释放为止。
在虚拟机规范对monitorenter和monitorexit的行为描述中，有两点是需要特别注意的。首先，synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现把自己锁死的问题。其次，同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。在前面讲过，Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程，都需要操作系统的来帮忙完成，这就需要从用户态切换到内核态中，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。对于简单的同步块，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。所以synchronized是Java语言中一个重量级的操作，有经验的程序员都会在确实需要的情况下才使用这样的操作，而虚拟机本身也会进行一些优化，譬如再通知操作系统阻塞线程之前加入一段自旋等待过程，避免频繁地切换到内核态中。
除了synchronized之外，我们还可以使用java.util.concurrent（JUC）包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步，在基本用法上，ReentrantLock与synchronized很相似，他们都具备一样的线程重入特性，只是代码写法上有点区别，一个表现为API层面的互斥锁（lock()和unlock()方法配合try/finally语句块完成），另一个表现为原生语法层面的互斥锁。不过，相比synchronized，ReentrantLock增加了一些高级功能，主要有以下3项：等待可中断、可实现公平锁以及锁可以绑定多个条件。
- 等待可中断是指当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。
- 公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁；而非公平锁则不保证这一点，在锁是被释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获取锁。synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。
- 锁绑定多个条件是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait()和notify()或者notifyAll()方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无需这样做，只需要多次调用newCondition()方法即可。
3.2.非阻塞同步
互斥同步最主要的问题就是线程阻塞和唤醒所带来的性能开销问题，因此这种同步也称为阻塞同步（Blocking Synchronization）。从处理问题的方式上说，互斥同步属于一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施（如加锁），那就肯定会出问题，无论共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁、用户态内核态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。随着硬件指令集的发展，我们有了另外一个选择：基于冲突检查的乐观并发策略，通俗地说，就是先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了；如果共享数据有争用，产生了冲突，那就再采取其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重试，直到成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步操作称为非阻塞同步（Non-Blocking Synchronization）。
为什么说使用乐观并发策略需要“硬件指令集的发展”才能进行呢？因为我们需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，靠什么来保证呢？如果这里再使用互斥同步来保证就失去了意义，所以我们只能依靠硬件来完成这件事情，硬件保证一个语义上看起来需要多次操作的行为只通过一条处理器指令就能完成，这类指令常用的有：测试并设置（Test-and-Set）、获取并增加（Fetch-and-Increment）、交换（Swap）、比较并交换（Compare-and-Swap，CAS）、加载链接/条件存储（Load-Linked/Store-Conditional，LL/SC）。
CAS指令需要有3个操作数，分别是内存位置（用V表示）、旧的预期值（用A表示）和新值（用B表示）。CAS指令执行时，当且仅当V符合旧预期值A时，处理器用新值B更新V值，否则它就不执行更新，但是无论是否更新了V的值，都会返回V的旧值，上述的处理过程是一个原子操作。
在JDK1.5之后，Java程序中才可以使用CAS操作，该操作由sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法包装提供，虚拟机在内部对这些方法做了特殊处理，即时编译出来的结果就是一条平台相关的处理器CAS指令，没有方法调用的过程，或者可以认为是无条件内联进去的。
由于Unsafe类不是提供给用户程序调用的类，因此，如果不采用反射手段，我们只能通过其他的Java API来间接使用它，如JUC包里面的整数原子类，其中的compareAndSet()和getAndIncrement()等方法都使用了Unsafe类的CAS操作。
3.3.无同步方案
同步只是保证共享数据争用时的正确性的手段，如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性，因此会有一些代码天生就是线程安全的。
- 可重入代码（Reentrant Code）
这种代码也叫做纯代码（Pure Code），可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码（包括递归调用它本身），而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。相对线程安全来说，可重入性是更基本的特性，它可以保证线程安全，即所有的可重入的代码都是线程安全的，但是并非所有的线程安全的代码都是可重入的。 - 线程本地存储（Thread Local Storage）
如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行？如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。Java语言中，如果一个变量要被多线程访问，可以使用volatile关键字声明它为“可见的”；如果一个变量要被某个线程独享，那么可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。每一个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象，这个对象存储了一组以ThreadLoacl.threadLocalHashCode为键，以本地线程变量为值的K-V值对，ThreadLocal对象就是当前线程的ThreadLocalMap的访问入口，每一个ThreadLocal对象都包含了一个独一无二的threadLocalHashCode值，使用这个值就可以在线程K-V值对中找回对应的本地线程变量。
4,锁优化
高效并发是从JDK1.5到JDK1.6的一个重要改进，HotSpot虚拟机开发团队在这个版本上花费了大量的精力去实现各种锁优化技术，如适应性自旋（Adaptive Spinning）、锁消除（Lock Elimination）、锁粗化（Lock Coarsening）、轻量级锁（Lightweight Locking）和偏向锁（Biased Locking）等，这些技术都是为了在线程之间更高效地共享数据以及解决竞争问题，从而提高程序的执行效率。
4.1.自旋锁与自适应自旋
前面我们讨论互斥同步的时候，提到了互斥同步对性能最大的影响是阻塞的表现，线程挂起和恢复的操作都需要用户态内核态的切换，这些操作给系统的并发带来了很大的压力。同时，虚拟机开发团队也注意到在许多应用上，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。如果物理机器上有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一下”，但不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
自旋等待不能代替阻塞，且不说自旋等待对处理器数量的要求，自旋等待本身虽然避免了线程切换开销，但是它是要占用CPU执行时间的。因此，如果锁被占用时间很短，自旋等待效果就会非常好，反之，如果锁被占用时间很长，那么自旋等待线程只会白白消耗CPU资源。自旋锁有两个重要参数：-XX:+UseSpinning开启自旋锁、-XX:PreBlockSpin自旋次数。在JDK1.6版本中默认开启自旋锁且引进了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不在固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定的。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。
4.2.锁消除
锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，在一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。我们来看一段看起来没有同步的代码。
public String concatString(String s1,String s2,String s3) {
return s1 + s2 + s3;
}
我们也知道由于String是一个不可变类，对字符串的连接操作总是通过生成新的String对象来进行的，因此Javac编译器会对String连接作自动优化。在JDK1.5之前，会转化为StringBuffer对象的连续append()操作，在JDK1.5及以后的版本中，会转化为StringBuilder对象的连续append()操作，所以上述代码在Javac编译之后可能会变成如下形式。
public String concatString(String s1,String s2,String s3) {
StringBuffer sb = new StringBuffer()
sb.append(s1);
sb.append(s2);
sb.append(s3);
return sb.toString();
}
因为每个StringBuffer.append()方法都有一个同步块，锁就是sb对象。所以，大家还认为上面那段concatString()代码没有涉及同步吗？虚拟机观察变量sb发现它的动态作用域被限制在concatString()方法内部，即sb的所有引用永远都不会逃逸到concatString()方法外部，其他线程无法访问到它。因此，虽然这里有锁，但是可以被安全地消除掉，在即时编译之后，这段代码就会忽略所有的同步而直接执行了。
4.3.锁粗化
原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小，只在共享数据的实际作用域中进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。但是如果存在一系列的连续操作都对一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能消耗。如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。
4.4.轻量级锁
轻量级锁是JDK1.6之中加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用操作系统的互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就称为“重量级”锁。首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。
要理解轻量级锁，以及下面讲到的偏向锁的原理和运作过程，必须从HotSpot虚拟机的对象（对象头部分）的内存布局开始介绍。在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
从上面的这张图里面可以看出，Java对象在内存中的结构主要包含以下几个部分：
- MaskWord：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit。
| 存储内容 | 标志位 | 状态 |
|---|---|---|
| 对象哈希码、对象分代年龄 | 01 | 未锁定 |
| 指向锁记录的指针 | 00 | 轻量级锁定 |
| 指向重量级锁的指针 | 10 | 膨胀（重量级锁定） |
| 空，不需要记录信息 | 11 | GC标志 |
| 偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 | 01 | 可偏向 |
- Class类型指针：即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。注意，如果对象是一个Java数组，那么在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。
- 实例数据：对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。HotSpot虚拟机默认的分配策略为long/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops，从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配在一起（等宽分配策略）。
- 对齐填充：无实际意义，仅仅起占位符作用。
介绍完虚拟机中对象的内存布局后，我们将话题转移到轻量级锁的执行过程上。在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的MaskWord的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mask Word）。接着虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的MaskWord更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象的MaskWord的锁标志位将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的MaskWord是否指向当前线程的栈帧，如果是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个对象的锁已经被其他线程占有。如果有两条以上的线程竞争同个对象的锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值更新为“10”，MaskWord中存储的就是指向重量级锁的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
上述描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果对象的MaskWord仍然指向线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的MaskWord和线程中复制的Displaced Mask Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，则说明有其他线程尝试获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
4.5.偏向锁
偏向锁也是JDK1.6中引进的一项锁优化，目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。偏向锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要在进行同步。当有另外一个线程去尝试获取该对象锁是，偏向模式就宣告结束，根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向后恢复未锁定或轻量级锁定的状态，后续的同步操作就如轻量级锁那样执行即可。