[Java]重学Java-如何保证线程安全

保证线程安全的三大特性

由于CPU是多线程切换执行的，那么对于操作的程序，我们需要保证3个特性:

原子性

原子（atomic）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为“不可被中断的一个或一系列操作”。 -《并发编程的艺术》

提供了互斥访问,同一时刻只能有一个线程对它进行操作。

在Java中提供了原子类(Atomic)来保证原子性，但是我们平时使用的i++这种，其实不是原子性的，在JVM编译后的文件中，分为了几步去执行i++.

  void f1() { i++; }

编译后

  void f1();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: getfield      #2 // Field
i:I
       5: iconst_1
       6: iadd
       7: putfield      #2 // Field
i:I
      10: return

Java通过CAS和同步锁来实现原子性

可见性

可见性指的是，多个线程同时访问同一个共享资源，可以感知到该资源被别的线程修改的动作.
我们还是以i++的操作来说这个问题:

i++

如果不加任何的同步策略，此时做i++，就会产生线程不安全的现象.

Java中使用volatile可以保证可见性，除此之外它还能禁止指令重排序，但是注意，i++本身并不是原子性的。

有序性

Java内存模型允许编译器和处理器对指令重排序以提高运行性能，在多线程环境下，可能会产生线程不安全的问题。

编译器不会对volatile读与volatile读后面的任意内存操作重排序

CAS

CAS全称为Compare And Swap,它跟常规的同步锁synchronized不同,它是非阻塞原子性的操作，简单的理解为CPU自旋即可，原理比较复杂，这里推荐一个好文章，有想深入的小伙伴可以看看:

Java CAS 原理剖析

JDK中，实现CAS，要借助Unsafe类，其中CAS的int实现是这样的:

java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger#getAndIncrement

    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

这里是做自增，为了保证线程安全，会进行值对比交换.我们深入到unsafe里面看看

sun.misc.Unsafe#getAndAddInt

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

这里的意思大致是: var1代表对象的内存位置,var2代表对象中的变量偏移量，var5代表变量预期值，var5+var4代表了新的值.如果对象中内存偏移量为var2的变量值为var5，就把它更新为var5+var4.

cas

CAS的优缺点

优点: 相对于synchronized更加轻量级,因为synchronized往往需要进入内核态将线程挂起或者恢复，这对于操作系统来说，会带来一些性能上的压力。那么使用CAS则可以牺牲一点CPU的时间(自旋),来减少对操作系统的资源消耗。
缺点: 对于原子类来说，自旋往往只能保证一个变量是线程安全的，如果需要一系列的操作都要保证线程安全，那么还是需要进行同步操作。

同步锁-synchronized

synchronized是一个同步锁的修饰符，它可以作用于代码块、成员属性、方法上,当线程执行代码进入被synchronized修饰的代码块时，会自动获取对象的监视器锁，此时其他线程对该代码块进行访问时，会被JVM阻塞挂起，直到执行同步逻辑的线程退出代码块或者抛出异常后释放了锁，其他线程才有机会访问该代码块。

由于synchronized是重量级锁，对于阻塞挂起、唤醒操作，都需要从用户态切换到内核态，属于比较耗时的操作。

synchronized是否保证内存可见性?

synchronized的内存语义: synchronized修饰的代码块中的变量会在线程的工作内存中被清除，，退出代码块时将该变量的值刷新到主内存。所以,synchronized可以保证内存可见性.

线程本地变量-ThreadLocal

要保证线程安全，除了排队之外，还可以使用ThreadLocal.
比如有一个任务：3个线程同时开始做i++5次，算完之后输出结果.
我们除了可以用一个AutomicInteger自增外，还可以为每个线程设置一个ThreadLocal值，算完之后再合计即可。

ThreadLocal可以保证，每个线程只访问到自己的变量，内部维护了一个Map,每个ThreadLocal进行读取的时候，都将Thread作为参数进行传递，从ThreadLocalMap中获取值.

java.lang.ThreadLocal#get

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();
        ThreadLocalMap map = getMap(t);
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

总结

共享变量产生线程不安全的问题是由于工作内存对别的线程不可见产生的，使用同步锁synchronized可以让代码块同步访问共享变量，同时退出代码块时将结果刷新到主内存中。
如果是使用原子类，则是通过CPU自旋(CAS)比较来保证数据的一致性。
使用ThreadLocal，可以让每个线程独享自己的变量.