一、線程安全等級

之前的博客中已有所提及“線程安全”問題，一般我們常說某某類是線程安全的，某某是非線程安全的。其實線程安全并不是一個“非黑即白”單項選擇題。

按照“線程安全”的安全程度由強到弱來排序，我們可以將java語言中各種操作共享的數(shù)據(jù)分為以下5類：不可變、絕對線程安全、相對線程安全、線程兼容和線程對立。

1、不可變

在java語言中，不可變的對象一定是線程安全的，無論是對象的方法實現(xiàn)還是方法的調(diào)用者，都不需要再采取任何的線程安全保障措施。如final關(guān)鍵字修飾的數(shù)據(jù)不可修改，可靠性最高。

2、絕對線程安全

絕對的線程安全完全滿足Brian GoetZ給出的線程安全的定義，這個定義其實是很嚴格的，一個類要達到“不管運行時環(huán)境如何，調(diào)用者都不需要任何額外的同步措施”通常需要付出很大的代價。

3、相對線程安全

相對線程安全就是我們通常意義上所講的一個類是“線程安全”的。另外，多線程系列面試題和答案全部整理好了，微信搜索Java技術(shù)棧，在后臺發(fā)送：面試，可以在線閱讀。

它需要保證對這個對象單獨的操作是線程安全的，我們在調(diào)用的時候不需要做額外的保障措施，但是對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保證調(diào)用的正確性。

在java語言中，大部分的線程安全類都屬于相對線程安全的，例如Vector、HashTable、Collections的synchronizedCollection()方法保證的集合。

4、線程兼容

線程兼容就是我們通常意義上所講的一個類不是線程安全的。最新多線程系列面試題整理好了，點擊Java面試庫小程序在線刷題。

線程兼容是指對象本身并不是線程安全的，但是可以通過在調(diào)用端正確地使用同步手段來保證對象在并發(fā)環(huán)境下可以安全地使用。Java API中大部分的類都是屬于線程兼容的。如與前面的Vector和HashTable相對應(yīng)的集合類ArrayList和HashMap等。

5、線程對立

線程對立是指無論調(diào)用端是否采取了同步錯誤，都無法在多線程環(huán)境中并發(fā)使用的代碼。由于java語言天生就具有多線程特性，線程對立這種排斥多線程的代碼是很少出現(xiàn)的。

一個線程對立的例子是Thread類的supend()和resume()方法。如果有兩個線程同時持有一個線程對象，一個嘗試去中斷線程，另一個嘗試去恢復線程，如果并發(fā)進行的話，無論調(diào)用時是否進行了同步，目標線程都有死鎖風險。正因此如此，這兩個方法已經(jīng)被廢棄啦。

二、線程安全的實現(xiàn)方法

保證線程安全以是否需要同步手段分類，分為同步方案和無需同步方案。

1、互斥同步

互斥同步是最常見的一種并發(fā)正確性保障手段。同步是指在多線程并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)時，保證共享數(shù)據(jù)在同一時刻只被一個線程使用（同一時刻，只有一個線程在操作共享數(shù)據(jù)）。

而互斥是實現(xiàn)同步的一種手段，臨界區(qū)、互斥量和信號量都是主要的互斥實現(xiàn)方式。因此，在這4個字里面，互斥是因，同步是果；互斥是方法，同步是目的。

在java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized關(guān)鍵字，synchronized關(guān)鍵字編譯之后，會在同步塊的前后分別形成monitorenter和monitorexit這兩個字節(jié)碼質(zhì)量，這兩個字節(jié)碼指令都需要一個reference類型的參數(shù)來指明要鎖定和解鎖的對象。

此外，ReentrantLock也是通過互斥來實現(xiàn)同步。在基本用法上，ReentrantLock與synchronized很相似，他們都具備一樣的線程重入特性。另外，多線程系列面試題和答案全部整理好了，微信搜索Java技術(shù)棧，在后臺發(fā)送：面試，可以在線閱讀。

互斥同步最主要的問題就是進行線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題，因此這種同步也成為阻塞同步。從處理問題的方式上說，互斥同步屬于一種悲觀的并發(fā)策略，總是認為只要不去做正確地同步措施（例如加鎖），那就肯定會出現(xiàn)問題，無論共享數(shù)據(jù)是否真的會出現(xiàn)競爭，它都要進行加鎖。

2、非阻塞同步

隨著硬件指令集的發(fā)展，出現(xiàn)了基于沖突檢測的樂觀并發(fā)策略，通俗地說，就是先進行操作，如果沒有其他線程爭用共享數(shù)據(jù)，那操作就成功了；如果共享數(shù)據(jù)有爭用，產(chǎn)生了沖突，那就再采用其他的補償措施。（最常見的補償錯誤就是不斷地重試，直到成功為止），這種樂觀的并發(fā)策略的許多實現(xiàn)都不需要把線程掛起，因此這種同步操作稱為非阻塞同步。

非阻塞的實現(xiàn)CAS（compareandswap）：CAS指令需要有3個操作數(shù)，分別是內(nèi)存地址（在java中理解為變量的內(nèi)存地址，用V表示）、舊的預期值（用A表示）和新值（用B表示）。

CAS指令執(zhí)行時，CAS指令指令時，當且僅當V處的值符合舊預期值A(chǔ)時，處理器用B更新V處的值，否則它就不執(zhí)行更新，但是無論是否更新了V處的值，都會返回V的舊值，上述的處理過程是一個原子操作。

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CAS缺點：

ABA問題：因為CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發(fā)生變化，如果沒有發(fā)生變化則更新，但是一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進行檢查時會發(fā)現(xiàn)它的值沒有發(fā)生變化，但是實際上卻變化了。

ABA問題的解決思路就是使用版本號。在變量前面追加版本號，每次變量更新的時候把版本號加一，那么A-B-A就變成了1A-2B-3C。JDK的atomic包里提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。

這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等于預期引用，并且當前標志是否等于預期標志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標志的值設(shè)置為給定的更新值。

3、無需同步方案

要保證線程安全，并不是一定就要進行同步，兩者沒有因果關(guān)系。同步只是保證共享數(shù)據(jù)爭用時的正確性的手段，如果一個方法本來就不涉及共享數(shù)據(jù)，那它自然就無需任何同步操作去保證正確性，因此會有一些代碼天生就是線程安全的。

1）可重入代碼

可重入代碼（ReentrantCode）也稱為純代碼（Pure Code），可以在代碼執(zhí)行的任何時刻中斷它，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行另外一段代碼，而在控制權(quán)返回后，原來的程序不會出現(xiàn)任何錯誤。所有的可重入代碼都是線程安全的，但是并非所有的線程安全的代碼都是可重入的。

可重入代碼的特點是不依賴存儲在堆上的數(shù)據(jù)和公用的系統(tǒng)資源、用到的狀態(tài)量都是由參數(shù)中傳入、不調(diào)用 非可重入的方法等。點擊Java面試庫小程序在線刷題。

（類比：synchronized擁有鎖重入的功能，也就是在使用synchronized時，當一個線程得到一個對象鎖后，再次請求此對象鎖時時可以再次得到該對象的鎖）

2）線程本地存儲

如果一段代碼中所需的數(shù)據(jù)必須與其他代碼共享，那就看看這些共享數(shù)據(jù)的代碼是否能保證在同一個線程中執(zhí)行？如果能保證，我們就可以把共享數(shù)據(jù)的可見范圍限制在同一個線程之內(nèi)。這樣無需同步也能保證線程之間不出現(xiàn)數(shù)據(jù)的爭用問題。

符合這種特點的應(yīng)用并不少見，大部分使用消費隊列的架構(gòu)模式（如“生產(chǎn)者-消費者”模式）都會將產(chǎn)品的消費過程盡量在一個線程中消費完。

其中最重要的一個應(yīng)用實例就是經(jīng)典的Web交互模型中的“一個請求對應(yīng)一個服務(wù)器線程（Thread-per-Request）”的處理方式，這種處理方式的廣泛應(yīng)用使得很多Web服務(wù)器應(yīng)用都可以使用線程本地存儲來解決線程安全問題。