摘要：不可變?cè)谥校豢勺兊膶?duì)象一定是線程安全的。在里標(biāo)注自己是線程安全的類(lèi)，大多都不是絕對(duì)線程安全，比如某些情況下類(lèi)在調(diào)用端也需要額外的同步措施。無(wú)同步方案要保證線程安全，不一定就得需要數(shù)據(jù)的同步，兩者沒(méi)有因果關(guān)系。

在之前學(xué)習(xí)編程的時(shí)候，有一個(gè)概念根深蒂固，即程序=算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)代表問(wèn)題空間中的客體，代碼就用來(lái)處理這些數(shù)據(jù)，這種思維是站在計(jì)算機(jī)的角度去抽象問(wèn)題和解決問(wèn)題，稱(chēng)之為面向過(guò)程編程。后來(lái)逐漸的發(fā)展，誕生了面向?qū)ο蟮木幊趟枷搿Ｃ嫦驅(qū)ο笫钦驹诂F(xiàn)實(shí)世界的角度去抽象解決問(wèn)題，把數(shù)據(jù)和行為都看成對(duì)象的一部分。

有了面向?qū)ο蟮木幊棠Ｊ剑瑯O大的地提升了現(xiàn)代軟件的開(kāi)發(fā)效率和規(guī)模，但是現(xiàn)實(shí)世界和計(jì)算機(jī)世界還是有很大的差異。比如人們很難想象在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行一項(xiàng)工作的時(shí)候，不停的中斷和切換，某些屬性也會(huì)在中斷期間改變，而這些事件在計(jì)算機(jī)里是很正常的。因此不得不妥協(xié)，首先在保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性之后，才能來(lái)談高效。

我們談?wù)摰木€程安全，是限定在多個(gè)線程之間存在共享數(shù)據(jù)訪問(wèn)，因?yàn)槿绻欢未a根本不會(huì)與其他線程共享數(shù)據(jù)，那也就不會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題。

當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，如果不考慮這些線程在運(yùn)行時(shí)環(huán)境下的調(diào)度和交替執(zhí)行，也不需要進(jìn)行額外的同步，或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其他協(xié)調(diào)操作的時(shí)候，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都可以獲得正確的結(jié)果，那這個(gè)對(duì)象就是線程安全的。

也就是當(dāng)一個(gè)對(duì)象可以安全的被多個(gè)線程同時(shí)使用，那么它就是線程安全對(duì)象。

按照線程安全的安全程度來(lái)分的話，java中的各種操作共享的數(shù)據(jù)主要分為5類(lèi)：不可變、絕對(duì)線程安全、相對(duì)線程安全、線程兼容和線程對(duì)立。

在java中，不可變（immutable）的對(duì)象一定是線程安全的。

對(duì)于final關(guān)鍵字可見(jiàn)性來(lái)說(shuō)，只要一個(gè)不可變對(duì)象被正確構(gòu)建出來(lái)，那其外部的可見(jiàn)狀態(tài)永遠(yuǎn)也不會(huì)改變。不可變帶來(lái)的安全性是最簡(jiǎn)單和最純粹的。

對(duì)于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)說(shuō)，只需要用final修飾即可。

對(duì)于對(duì)象來(lái)說(shuō)，將對(duì)象中帶有狀態(tài)的變量都設(shè)置為final。

在java api中復(fù)核不可變要求的類(lèi)型主要有：

String

枚舉類(lèi)型

Long和Double等數(shù)值包裝類(lèi)型

BigInteger和BigDecimal等大數(shù)據(jù)類(lèi)型

AtomicLong和AtomInteger等原子類(lèi)并非是不可變的類(lèi)型。

一個(gè)類(lèi)要達(dá)到“不管運(yùn)行時(shí)環(huán)境如何，調(diào)用者都不需要任何額外的同步措施”這個(gè)條件，通常是需要付出很大，甚至是有些不切實(shí)際的代價(jià)。

在java里標(biāo)注自己是線程安全的類(lèi)，大多都不是絕對(duì)線程安全，比如某些情況下Vector類(lèi)在調(diào)用端也需要額外的同步措施。

這個(gè)就是我們通常意義所說(shuō)的線程安全。

它需要保證對(duì)這個(gè)對(duì)象多帶帶的操作時(shí)線程安全的，我們?cè)谡{(diào)用的時(shí)候不需要做額外的保障措施。但是對(duì)于一些特定順序的連續(xù)調(diào)用，就可能需要在調(diào)用端使用額外的同步手段來(lái)保證調(diào)用的正確性。

如vector，hashtable等線程安全類(lèi)都是屬于這種的。

線程兼容是指對(duì)象本身并不是線程安全的，但是可以通過(guò)在調(diào)用端正確使用同步手段來(lái)保證對(duì)象在并發(fā)環(huán)境中可以安全使用。

java中的ArrayList和HashMap就是這種。

指無(wú)論調(diào)用端是否采用同步措施，都無(wú)法在多線程環(huán)境中并發(fā)使用代碼。

一個(gè)例子就是Thread類(lèi)的suspen方法和resume方法，如果有兩個(gè)線程同時(shí)持有一個(gè)線程對(duì)象，一個(gè)去中斷線程，一個(gè)去恢復(fù)線程，如果并發(fā)進(jìn)行的話，無(wú)論調(diào)用是否采用了同步，都會(huì)存在鎖死的風(fēng)險(xiǎn)。

常見(jiàn)的線程對(duì)立例子還有：

System.setIn()

System.setOut()

System.runFinalizersOnExit()

如何實(shí)現(xiàn)線程安全與代碼編寫(xiě)有著很大的關(guān)系，但是虛擬機(jī)提供的同步和鎖的機(jī)制也起到了非常重要的作用。

互斥同步是一種比較常見(jiàn)的并發(fā)正確性保障手段。

同步是指在多個(gè)線程并發(fā)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)，保證共享數(shù)據(jù)在同一時(shí)刻只被一個(gè)（或是一些，使用信號(hào)量的時(shí)候是一些）線程使用。互斥是實(shí)現(xiàn)同步的一種手段，臨界區(qū)、互斥量和信號(hào)量等都是主要的互斥手段。

synchronized

java中最基本的互斥同步手段就是synchronized關(guān)鍵字。

synchronized關(guān)鍵字在經(jīng)過(guò)編譯之后，會(huì)在同步塊的前后形成monitorenter和monitorexit這兩個(gè)字節(jié)碼指令。這兩個(gè)字節(jié)碼都需要一個(gè)引用類(lèi)型的參數(shù)來(lái)指明鎖定和解鎖的對(duì)象。如果在java程序中指明了這個(gè)對(duì)象，那么這個(gè)參數(shù)就是此對(duì)象的引用，如果沒(méi)有指定，那就根據(jù)synchronized修飾的是實(shí)例方法還是類(lèi)方法來(lái)取對(duì)應(yīng)的對(duì)象實(shí)例或者Class對(duì)象來(lái)作為鎖對(duì)象。

synchronized同步塊對(duì)同一條線程來(lái)說(shuō)是可重入的，不會(huì)出現(xiàn)自己把自己鎖死的問(wèn)題。

synchronized同步塊在已進(jìn)入的線程執(zhí)行完之前，會(huì)阻塞后面其他線程的進(jìn)入。

ReentrantLock

java.util.concurrent包中提供了重入鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。

ReentrantLock在寫(xiě)的時(shí)候，使用lock()和unlock()方法配合try/finally來(lái)完成，相比synchronized增加了一些高級(jí)功能：

等待可中斷

當(dāng)持有鎖的線程長(zhǎng)期不釋放鎖的時(shí)候，正在等待的線程可以放棄等待，改為處理別的事情。

可實(shí)現(xiàn)公平鎖

公平鎖是指多個(gè)線程在等待一個(gè)同一個(gè)鎖的時(shí)候，必須按照申請(qǐng)鎖的時(shí)間順序來(lái)依次獲得鎖，也就是隊(duì)列方式。非公平鎖則是競(jìng)爭(zhēng)獲取。

synchronized是非公平的，ReentrantLock默認(rèn)也是非公平的，但是可以實(shí)現(xiàn)公平的。

鎖可以綁定多個(gè)事件

一個(gè)ReentrantLock對(duì)象可以綁定多個(gè)Condition對(duì)象，而synchronized的鎖對(duì)象的wait、notify等方法只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)隱含的條件。

如果要用到上面三個(gè)高級(jí)功能的話，建議使用ReentrantLock，但是如果基于性能考慮的話，優(yōu)先考慮使用synchronized來(lái)進(jìn)行同步。

在jdk1.6之前，synchronized在多線程下吞吐量下降很?chē)?yán)重，ReentrantLock表現(xiàn)穩(wěn)定。但是1.6之后，性能就差不多了，而且以后虛擬機(jī)的優(yōu)化也是偏向synchronized。

互斥同步最主要的問(wèn)題就是進(jìn)行線程阻塞和喚醒所帶來(lái)的性能問(wèn)題，因此這種同步也是阻塞同步。從處理問(wèn)題角度來(lái)講，互斥同步是一種悲觀的并發(fā)策略，總是認(rèn)為只要不去做正確的同步措施（例如加鎖），那就肯定會(huì)出問(wèn)題，無(wú)論共享數(shù)據(jù)是否會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)，它都會(huì)去加鎖同步。

隨著硬件指令集的發(fā)展，出現(xiàn)了基于沖突檢測(cè)的樂(lè)觀并發(fā)策略。

通俗來(lái)講就是，先進(jìn)行操作，如果沒(méi)有其他線程爭(zhēng)用共享數(shù)據(jù)，那操作就成功了；如果共享數(shù)據(jù)有爭(zhēng)用，產(chǎn)生了沖突，那就再采取其他的補(bǔ)償措施，這種樂(lè)觀的并發(fā)策略的許多實(shí)現(xiàn)都不需要把線程掛起，因此這種同步操作稱(chēng)為非阻塞同步。

最常見(jiàn)的補(bǔ)償措施就是不斷的重試，直到成功為止。

對(duì)于非阻塞同步來(lái)講，最重要的一個(gè)硬件指令是比較并交換（CAS）。java的Unsafe類(lèi)里面的某些方法被編譯之后，就成了一條平臺(tái)相關(guān)的處理器CAS指令，沒(méi)有方法調(diào)用的過(guò)程。

Unsafe類(lèi)不是提供給用戶(hù)程序調(diào)用的類(lèi)，不使用反射的話，只能通過(guò)使用其他java api來(lái)間接使用。java的concurrent包里的AtomicInteger整數(shù)原子類(lèi)的compareAndSet和getAndIncrement方法使用了Unsafe類(lèi)的CAS操作。

CAS操作會(huì)出現(xiàn)“ABA”問(wèn)題：如果一個(gè)變量初始被讀取是A，最終被賦值的時(shí)候檢查到仍然是A，但是在讀取和賦值這段時(shí)間里，有可能被其他線程改為B，后來(lái)又改成了A。那么CAS就認(rèn)為沒(méi)有改變過(guò)。大部分情況下ABA也不會(huì)影響程序并發(fā)的正確性。

要保證線程安全，不一定就得需要數(shù)據(jù)的同步，兩者沒(méi)有因果關(guān)系。如果一個(gè)方法不涉及共享數(shù)據(jù)，那它自然就不用同步，有些代碼天生就是線程安全的，比如：

可重入代碼

也叫純代碼，可以在代碼執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷它，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行別的代碼（包括遞歸調(diào)用自己），而控制權(quán)返回后，原來(lái)的程序不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

所有可重入的代碼都是線程安全的，但是線程安全的代碼不一定是可重入的。

可重入代碼的一些特征是：

不依賴(lài)存儲(chǔ)在堆上的數(shù)據(jù)和公用系統(tǒng)資源

用的狀態(tài)量都是參數(shù)傳入

不調(diào)用不可重入代碼

如果一個(gè)方法是結(jié)果是可預(yù)測(cè)的，只要輸入了相同的數(shù)據(jù)，就能返回相同的結(jié)果，那它就滿(mǎn)足可重入性要求，當(dāng)然也就是線程安全的。

線程本地存儲(chǔ)

如果一段代碼中所需要的數(shù)據(jù)必須與其他代碼共享，那就看看這些共享數(shù)據(jù)的代碼能不能在同一個(gè)線程中運(yùn)行？如果把這些共享數(shù)據(jù)的可見(jiàn)范圍放在同一個(gè)線程之內(nèi)，這樣無(wú)需進(jìn)行同步也可以做到線程安全。

符合這種特點(diǎn)的應(yīng)用有很多，比如：

大部分的消息隊(duì)列的生產(chǎn)者——消費(fèi)者模式。

web交互模型中的一個(gè)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)服務(wù)器線程的處理方式。

在java中，如果一個(gè)變量要被某個(gè)線程獨(dú)享，就可以用ThreadLocal來(lái)實(shí)現(xiàn)線程本地存儲(chǔ)的功能。

通過(guò)對(duì)線程安全的仔細(xì)研究，終于理解了函數(shù)式編程為什么是天然的支持高并發(fā)了。函數(shù)式編程里的不可變對(duì)象和可重入代碼，都不會(huì)出現(xiàn)線程安全的問(wèn)題。這也是為什么現(xiàn)在函數(shù)式編程越來(lái)越火的一個(gè)重要原因。