对Java在并发环境下线程安全的实现方式做点笔记。
基础知识
先介绍一些Java线程相关的基础概念
线程生命周期
Java中线程也是一个对象，由Thread类创建，其状态STATE有：
- NEW 已创建未启动
- RUNABLE：已获得CPU资源（RUNNING）和可被CPU调度（READY）状态
- BLOCKED：阻塞状态，进行I/O调用和请求被其他线程占有的锁
- WAITING：等待其他线程特定的操作
- TIMED_WATING：并非无限制等待，到达一定时间后变为RUNABLE状态
- TERMINATED：终止
线程生命周期如下：
竞态
相同输入得不到相同输入，计算结果与时间有关的状态即为竞态。
竞态产生的原因一般是多个线程在不加控制的条件下并发更新、读取了同一个共享变量，引发竞态的模式主要有两种：
- read-and-modify
- check-then-action
线程安全
一个类在单线程下运行正常，在多线程环境下也能运行正常，就称这个类是线程安全的。如果一个类是线程安全的，就不会引发竞态。标准库中一些常见的类都不是线程安全的，如ArrayList、HashMap、SimpleDateFormat。
线程安全需要保证三个条件：原子性、可见性和有序性。
原子性 Atomic
线程读写某个变量的操作，从其他线程看不存在中间状态，要么执行发生，要么未发生，就称其满足原子性。
Java原子性的方式主要是：
- 锁（指代码中的锁，也叫软件锁）
- CAS（硬件锁）
Java中对基本类型的写操作，除了long和double外都是原子性的。
可见性 Visibility
线程对共享变量的更新对其他线程可见，即其他线程在线程更新之后立即可以读到最新值，就称其满足可见性。
下面两个问题会影响可见性：
- 编译优化，如将
while循环内的判断优化至循环外。 - 计算机存储结构，处理器会缓存一些变量的更新。
CPU有自己的缓存单元，包括寄存器 Registerr，高速缓存 Cache，写缓冲器 Store Buffer，无效化队列 Invalidate Queue
Java的一些同步机制会使CPU缓存同步，即使CPU可以读到另一个CPU上的缓存：
- 写线程冲刷处理器缓存：更新一个变量后使处理器对变量的修改写入Cache或RAM中，而不是停留在Store Cache
- 读线程刷新处理器缓存：读取一个变量的值时，如果其他处理器已经更新，需要进行缓存同步
有序性 Odering
线程执行的内存访问操作在其他线程看来没有发生变化，就称其满足有序性。重排序会影响有序性。
上下文切换
一个线程被暂停，另一个线程获取CPU控制权的过程，称作上下文切换。切换过程包括线程切出 Switch out和线程切入 Switch in。
线程在进行上下文切换时需要在内存中读取或保存自己的运行状态，包括通用寄存器的内容和程序计数器的内容。
上下文切换可分为两种方式：
- 自发性上下文切换：线程主动让出CPU控制权，如调用
wait/sleep/yield/join/park、进行I/O操作或请求其他线程持有的锁。 - 非自发性上下文切换：线程的CPU时间片耗尽或被其他高优先级线程（如GC）夺取CPU控制权。
上下文切换时有开销的：
- 直接开销：CPU调度的开销和保存/恢复上下文的开销。
- 间接开销：高速缓存重新加载和高速缓存被冲刷（Flush到二级缓冲）。
Java的线程同步机制
每种同步机制需要分析其是否满足原子性、可见性和有序性，是否存在上下文切换开销。
锁 Lock
Java中锁的实现有两种
- 内部锁：
synchronize关键字 - 显式锁：
java.concurrent.locks.Lock接口的实现类
用锁实现线程同步可以满足原子性、可见性、有序性，存在上下文开销
- 原子性：被锁同步的代码块称作临界区，同一时间只有一个线程可以访问临界区。
- 可见性：Java中获得锁（Acquire）刷新处理器缓存，释放锁（Release）会冲刷处理器缓存。
- 有序性：临界区内的指令不会被重排序到临界区外。
- 上下文切换开销：请求被其他线程持有的锁会发生上下文切换。
volatile
用volatile修饰的变量满足可见性、有序性和写操作的原子性，但不具有计算的原子性，不存在上下文切换。
- 可见性：变量不会被缓存在Store Cache中，即写操作之后会冲刷处理器缓存，读操作之前会刷新处理器缓存。
- 有序性：编译器不会对该变量上的操作与其他内存操作进行重排序。
- 原子性：不具有自增等计算的原子性
CAS
java.util.concurrent.atomic中的原子类借助CAS实现了可见性和原子性，它的计算实现基于一种乐观锁的思想：执行某种操作，如果不成功就一直执行直到成功为止。这里借助一段源码加强理解。
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;
}
CAS的问题是ABA问题，可以借助AtomicStampedReference类解决。
安全发布
安全发布一个对象有以下几种方式：
- 在静态初始化函数中初始化一个对象的引用
static - 将某个对象的引用保存在
volatile类型的域或AtomicReference对象中 - 将对象的引用保存在正确构造对象的
final类型的域中 - 将对象的引用保存在由锁保护的域中
(End)