前言

線程：程序流執(zhí)行的最小單元。線程是比進(jìn)程更輕量級(jí)的調(diào)度執(zhí)行單位，線程的引入，可以把一個(gè)進(jìn)程的資源分配和執(zhí)行調(diào)度分開，各個(gè)線程既可以共享進(jìn)程資源（內(nèi)存地址、文件I/O等），又可以獨(dú)立調(diào)度（線程是CPU調(diào)度的基本單位）。

Java語(yǔ)言定義了5中線程狀態(tài)，在任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，一個(gè)線程只能有且只有其中的一種狀態(tài)，5中狀態(tài)如下。

新建（New）：創(chuàng)建后尚未啟動(dòng)的線程處于這種狀態(tài)。

運(yùn)行（Runnable）：Runnable包括了操作系統(tǒng)線程狀態(tài)中的Running和Ready，也就是處于此狀態(tài)的線程可能正在執(zhí)行，也可能正在等待著CPU為它分配執(zhí)行時(shí)間。

無(wú)限期等待（Waiting）：處于這種狀態(tài)的線程不會(huì)被分配CPU執(zhí)行時(shí)間，它們要等待被其他線程顯示地喚醒。

讓線程進(jìn)入無(wú)限等待的方法有如下幾個(gè)：

• 沒有設(shè)置Timeout參數(shù)的Object.wait()方法。
• 沒有設(shè)置Timeout參數(shù)的Thread.join()方法。
• LockSupport.park()方法。

限期等待（Timed Waiting）：處于這種狀態(tài)的線程也不會(huì)被分配CPU執(zhí)行時(shí)間，不過(guò)無(wú)須等待被其他線程顯式地喚醒，在一定時(shí)間之后它們會(huì)由系統(tǒng)自動(dòng)喚醒。

讓線程進(jìn)入限期等待狀態(tài)的方法有如下幾個(gè)：

• Thread.sleep()方法。
• 設(shè)置了Timeout參數(shù)的Object.wait()方法。
• 設(shè)置了Timeout參數(shù)的Thread.join()方法。
• LockSupport.parkNanos()方法。
• LockSupport.parkUntil()方法。

阻塞（Blocked）：線程被阻塞了，“阻塞狀態(tài)”是在等待著獲取到一個(gè)排他鎖，這個(gè)事件將在另一個(gè)線程放棄這個(gè)鎖的時(shí)候發(fā)生；更通俗的解釋就是一個(gè)線程正在干著一件事，沒資源干其他的事，當(dāng)來(lái)了其他的事時(shí)就只能阻塞的等著線程能騰出時(shí)間來(lái)處理。

結(jié)束（Terminated）：已終止線程的線程狀態(tài)，線程已經(jīng)結(jié)束執(zhí)行。

這5種狀態(tài)在遇到特定的事件的時(shí)候會(huì)相互轉(zhuǎn)換。

線程安全

一個(gè)比較嚴(yán)謹(jǐn)線程安全定義：當(dāng)多個(gè)線程訪問一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果不用考慮這些線程在運(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)行任何其他的協(xié)調(diào)操作，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都可以獲得正確地結(jié)果，那么這個(gè)對(duì)象就是線程安全的。

Java語(yǔ)言中的線程安全

研究線程安全，需要限定于多個(gè)線程之間存在共享數(shù)據(jù)訪問這個(gè)前提。Java語(yǔ)言中各種操作共享數(shù)據(jù)分為以下5類：

不可變

在JDK1.5以后，Java語(yǔ)言中不可變的對(duì)象一定是線程安全的，無(wú)論是對(duì)象的方法實(shí)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。如果一個(gè)基本數(shù)據(jù)類在定義時(shí)使用final關(guān)鍵字修飾它，就可以保證它時(shí)不可變的。如果final修飾的是一個(gè)對(duì)象，需要保證對(duì)象的方法不會(huì)對(duì)其狀態(tài)產(chǎn)生影響才行。例如:String類的substring()、concat()這些方法不會(huì)影響原來(lái)的值，只會(huì)生成一個(gè)新的字符串。

保證對(duì)象方法不會(huì)對(duì)其狀態(tài)產(chǎn)生影響的實(shí)現(xiàn)方式有很多，最簡(jiǎn)單是將對(duì)象中帶有狀態(tài)的屬性用final修飾。

例如Integer類中的實(shí)現(xiàn)代碼：

   /**
     * 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;
    }

Java中除了String類、Integer類，還有其他的Long、Double等包裝類，以及BigInteger和BigDecimal等大數(shù)據(jù)類型，都符合不可變要求的類型。

絕對(duì)線程安全

絕對(duì)線程安全，是指絕對(duì)的符合前面提到的線程安全的定義，多線程永遠(yuǎn)調(diào)用對(duì)象時(shí)永遠(yuǎn)都能獲得正確的結(jié)果。但是為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)絕對(duì)要付出的代價(jià)是很大的，在Java中標(biāo)注自己是線程安全的類，絕大多數(shù)都不是絕對(duì)線程安全的，例如Vector類，java.util.Vector是一個(gè)線程安全類，它的add()、get()、size()等都是被synchronized修飾的，但這并不能保證它是絕對(duì)安全的。

如下代碼：

public class Test {
    
    private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();

    public static void main(String[] args){
        

        while (true){
            for(int index = 0;index < 10;index++){
                vector.add(index);
            }
            //移除元素的線程
            Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i<vector.size(); i++){
                        vector.remove(i);
                    }
                }
            });

            //打印元素的線程
            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();
　　　　　　　//別創(chuàng)建太多線程，出現(xiàn)異常就手動(dòng)停止運(yùn)行吧，不然會(huì)一直執(zhí)行下去。
            while (Thread.activeCount()>5);
        }


    }
    

}

運(yùn)行結(jié)果：

Exception in thread "Thread-229" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: Array index out of range: 15
    at java.util.Vector.get(Vector.java:748)
    at com.eurekaclient2.client2.shejimoshi.JVM.Test$2.run(Test.java:38)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

盡管Vector的方法都是同步的，但是在多線程環(huán)境下，若不在調(diào)用方法端做額外的同步措施的話，仍然不是線程安全的，因?yàn)槿袅硪痪€程恰好在錯(cuò)誤的時(shí)間里刪除了一個(gè)元素，導(dǎo)致序號(hào)i已經(jīng)不再可用的話，再用i訪問數(shù)組就會(huì)拋出一個(gè)ArrayIndexOutOfBoundsException。

解決方法如下（將移除和打印都設(shè)置為同步）：

public class Test {

    private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();

    public static void main(String[] args){


        while (true){
            for(int index = 0;index < 10;index++){
                vector.add(index);
            }
            //移除元素的線程
            Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized(vector){
                        for (int i = 0; i<vector.size(); i++){
                            vector.remove(i);
                        }
                    }
                }
            });

            //打印元素的線程
            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()>5);
        }


    }


}

相對(duì)線程安全

我們通常所講的線程安全就是指的相對(duì)線程安全，需要保證對(duì)象單獨(dú)的操作時(shí)線程安全的，不需要做額外的保障措施。但若是對(duì)于一些特定屬性的連續(xù)調(diào)用，就可能會(huì)需要在調(diào)用端添加額外的同步措施。Java語(yǔ)言中，大部分的線程安全類都是相對(duì)線程安全的，例如Vector、HashTable以及Collections的synchronizedCollection()方法包裝的集合等。

線程兼容

線程兼容是指對(duì)象本身不是線程安全的，但是可以通過(guò)在調(diào)用端使用同步措施來(lái)保證對(duì)象在并發(fā)環(huán)境中可以安全的使用。Java中大部分類都是線程兼容的，如ArrayList、HashMap等等。

線程對(duì)立

線程對(duì)立指無(wú)論調(diào)用端是否采用了同步措施，都無(wú)法在多線程環(huán)境中并發(fā)使用代碼。這種代碼是有害的，應(yīng)盡量避免。常見的線程對(duì)立操作有System.setIn()、System.setOut()和System.runFinalizersOnExit()等。

線程安全的實(shí)現(xiàn)方法

 線程安全的實(shí)現(xiàn)主要有以下幾個(gè)方法：

互斥同步

通過(guò)互斥來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，臨界區(qū)、互斥量、信號(hào)量都是主要的互斥實(shí)現(xiàn)方法。在Java中最基本的互斥同步手段就是synchronized關(guān)鍵字，synchronized關(guān)鍵字通過(guò)編譯后，會(huì)在同步塊的前后分別形成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)reference類型的慘呼是來(lái)指明要鎖定和解鎖的對(duì)象。若在程序中為synchronized指明了對(duì)象參數(shù)，那就是這個(gè)對(duì)象的reference，若沒有指明，則根據(jù)synchronized修飾的是實(shí)例方法或類方法，來(lái)獲取對(duì)應(yīng)的對(duì)象或Class對(duì)象來(lái)作為鎖對(duì)象。

在虛擬機(jī)規(guī)范中要求，在執(zhí)行monitorernter指令時(shí)，首先要嘗試獲取對(duì)象的鎖。如若此對(duì)象沒被鎖定或當(dāng)期線程已經(jīng)擁有了此對(duì)象的鎖，則把鎖的計(jì)數(shù)器加1，響應(yīng)的在執(zhí)行monitorexit指令時(shí)會(huì)將鎖計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)，鎖就會(huì)被釋放。若獲取鎖失敗，那么當(dāng)前線程就要進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到對(duì)象鎖被另外一個(gè)線程釋放為止。

有兩點(diǎn)需要注意的是：

• synchronized同步快對(duì)于同一條線程來(lái)說(shuō)是可重入的，不會(huì)出現(xiàn)自己把自己鎖死的問題。
• 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。

除了synchronized之外，還可以使用java.util.concurrent包中的重入鎖（ReentrantLock）來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。用法很相似，只是代碼寫法上有區(qū)別，ReentrantLock表現(xiàn)為API層面的互斥鎖（lock()和unlock()方法配合try/finally()語(yǔ)句塊來(lái)完成），synchronized表現(xiàn)為原生語(yǔ)法層面的互斥鎖。不過(guò)ReentrantLock比synchronized增加了一些高級(jí)功能，主要有以下3項(xiàng)：等待可中斷、可實(shí)現(xiàn)公平鎖，以及鎖可以綁定多個(gè)條件。

• 等待可中斷是指當(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選擇放棄等待，改為處理其他事情，可中斷特性對(duì)處理執(zhí)行時(shí)間非常長(zhǎng)的同步塊很有幫助。
• 公平鎖是指多個(gè)線程在等待同一個(gè)鎖時(shí)，必須按照申請(qǐng)鎖的時(shí)間順序來(lái)依次獲得鎖；非公平鎖，在釋放時(shí)任何一個(gè)等待線程都有機(jī)會(huì)獲得鎖。synchronized是非公平鎖，ReentrantLock默認(rèn)情況下也是非公平的，但可以通過(guò)帶布爾值的構(gòu)造函數(shù)要求使用公平鎖。
• 鎖綁定多個(gè)條件是指一個(gè)ReentrantLock對(duì)象可以同時(shí)綁定多個(gè)Condition對(duì)象，而synchronized中，鎖對(duì)象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)隱含的條件，如果要和多于一個(gè)的條件關(guān)聯(lián)的時(shí)候，就不得不額外的添加一個(gè)鎖，而ReentrantLock則無(wú)須這樣做，只需要多次調(diào)用newCondition()方法即可。

非阻塞同步

互斥同步最主要的問題就是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)阻塞和喚醒鎖帶來(lái)的性能問題，因此這種同步也稱為阻塞同步（Block Synchronization）。從處理問題的方式上來(lái)說(shuō)，互斥同步屬于一種悲觀的并發(fā)策略，那么相對(duì)而言的就有了另一種基于沖突檢測(cè)的樂觀并發(fā)策略，通俗的解釋就是先執(zhí)行操作，如果沒有其他線程爭(zhēng)用共享數(shù)據(jù)，那操作就成功了；如果有線程爭(zhēng)用共享數(shù)據(jù)，那就再采取其他補(bǔ)償措施（常見的補(bǔ)償措施就是不斷重試，直到成功為止），這種樂觀的并發(fā)策略不需要把線程掛起，因此也被稱為非阻塞同步（Non-Block Synchronization）。

在進(jìn)行操作和沖突檢測(cè)時(shí)，需要保證這兩個(gè)步驟的原子性，這個(gè)時(shí)候如果靠同步互斥，那就也成悲觀并發(fā)了，所以只能靠硬件來(lái)完成這個(gè)保證，硬件保證一個(gè)從語(yǔ)義上開起來(lái)需要多次操作的行為只通過(guò)一條處理器指令就能完成，此類指令常用的有：

• 測(cè)試并設(shè)置（Test-and-Set）。
• 獲取并增加（Fetch-and-Increment）。
• 交換（Swap）。
• 比較并交換（Compare-and-Swap）CAS。
• 加載鏈接/條件存儲(chǔ)（Load-Linked/Store-COnditional）。

無(wú)同步方案

可重入代碼

如果一個(gè)方法，它的返回結(jié)果是可以預(yù)測(cè)的，只要輸入了相同的數(shù)據(jù)，就都能返回相同的結(jié)果，那它就滿足可重入性的要求，當(dāng)然也就是線程安全的。這個(gè)方法就是可重入代碼，在這段代碼可以在執(zhí)行的任何時(shí)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(lái)的程序不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。

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)的代碼是否能保證在同一個(gè)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(gè)線程之內(nèi)，這樣，無(wú)須同步也能保證線程之間不出現(xiàn)數(shù)據(jù)爭(zhēng)用的問題。例如大部分的消息隊(duì)列的架構(gòu)模式（生產(chǎn)者-消費(fèi)者）都符合這個(gè)特點(diǎn)。