【高并发】线程安全性

概念

定义：当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。
原子性：提供了互斥访问，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作。
可见性：一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到。
有序性：一个线程观察其他线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序。

原子性

原子性-Atomic包

AtomicXXX:CAS、Unsafe.compareAndSwapInt
AtomicLong、LongAdder
AtomicReference、AtomicReferenceFieldUpdater
AtomicStampReference：解决CAS的ABA问题

原子性-锁

synchronized：依赖JVM
Lock：依赖特殊的CPU指令，代码实现，ReentrantLock

原子性-synchronized

修饰代码块：大括号括起来的代码，作用于调用的对象。
修饰方法：整个方法，作用于调用的对象。
修饰静态方法：整个静态方法，作用于所有对象。
修饰类：括号括起来的部分，作用于所有对象。

原子性-对比

synchronized：不可中断锁，适合竞争不激烈，可读性好
Lock: 可中断锁，多样化同步，竞争激烈时能维持常态
Atomic: 竞争激烈时能维持常态，比Lock性能好，只能同步一个值

可见性

导致共享变量在线程间不可见的原因

（1）线程交叉执行
（2）重排序结合线程交叉执行
（3）共享变量更新后的值没有在工作内存与主存间及时更新

可见性-synchronized

JMM（Java内存模型）关于synchronized的两条规定：
（1）线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存
（2）线程加锁前，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（注意：加锁和解锁是同一把锁）

可见性-volatile

通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现
（1）对volatile变量写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令，将本地内存中的共享变量值刷新到主内存
（2）对volatile变量读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令，从主内存中读取共享变量
注意：volatile不具有原子性

volatile的使用场景

（1）对变量的写操作不依赖于当前值
（2）该变量没有包含在具有其他变量的不必要的式子中

有序性

Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性
可以通过volatile、synchronized、Lock保证有序性

有序性-happens-before原则

（1）程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
（2）锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
（3）volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
（4）传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
（5）线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作
（6）线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
（7）线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
（8）对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始

注意：如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就无法保证有序性，虚拟机就可以随意地对它们进行重排序。