线程安全的 Stack java 线程安全的理解

线程安全的一个比较恰当的定义是：“当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的”。
简言之，线程安全就是指多个线程访问某个类时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。
也就是说，代码本身封装了所有必要的正确性保障手段（如互斥同步），令调用者无需关心多线程的问题，更无需采用任何措施来保证多线程的正确调用。
在线程安全的定义中，最核心的概念是正确性，如果对线程安全的定义感到模糊，那么就是因为缺乏对正确性的清晰定义。
正确性的定义是，某个类或代码的行为与其规范完全一致。因此，可将单线程的正确性近似定义为“所见即所知（we know it when we see it）”。

线程安全等级划分

按照线程安全的“安全程度”由强至弱来排序，可将Java语言中各种操作共享的可变数据分为以下5类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。（参考《深入理解Java虚拟机》一书）

不可变

在Java语言中（特指JDK 1.5之后），不可变（Immutable）对象一定是线程安全的，无论是对象的方法实现还是方法的调用者，都不需要再采取任何的线程安全保障措施。
一旦一个不可变的对象被正确地构建出来（没有发生this引用逃逸的情况），那其外部的可见状态永远也不会改变，永远也不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。“不可变”带来的安全性是最简单和最纯粹的。
Java语言中，（1）如果共享数据是一个基本数据类型，那么只要在定义时使用final关键字修饰它就可以保证它是不可变的；（2）如果共享数据是一个对象，那就需要保证对象的行为不会对其状态产生任何影响才行。java.lang.String 是一个典型的不可变对象，调用它的substring()、replace()和concat()等方法都不会影响它原来的值，只会返回一个新构造的字符串对象。
保证对象行为不影响自己状态的途径有很多种，其中最简单的就是把对象中带有状态的变量都声明为final，这样在构造函数结束之后，它就是不可变的。
在Java API中符合不可变要求的类型，除了上面提到的String之外，常用的还有枚举类型，以及java.lang.Number的部分子类，如Long和Double等数值包装类型，BigInteger和BigDecimal等大数据类型。

绝对线程安全

绝对的线程安全完全满足**Brian Goetz（《Java并发编程实战》作者）**给出的线程安全的定义，这个定义其实是很严格的，一个类要达到“不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施”通常需要付出很大的，甚至有时候是不切实际的代价。
在Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对的线程安全。java.util.Vector是一个线程安全的容器，相信所有的Java程序员对此都不会有异议，因为它的add()、get()和size()这类方法都是被synchronized修饰的，尽管这样效率很低，但确实是安全的。但是，即使它所有的方法都被修饰成同步，也不意味着调用它的时候永远都不再需要同步手段。（remove和get同时执行会出现问题）

相对线程安全

相对线程安全就是通常意义上所讲的线程安全，它需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，但在调用时，需要做额外的保障措施。如对于一些特定顺序的连续调用，可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。
在Java语言中，大部分的线程安全类都属于这种类型，例如Vector、Hashtable、Collections的synchronizedCollection()方法包装的集合等。

线程兼容

线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全地使用，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数时候指的是这一种情况。Java API中大部分的类都是属于线程兼容的，如与前面的Vector和HashTable相对应的集合类ArrayList和HashMap等。
对象本身不是线程安全，但可采取同步手段，保证对象在并发环境下安全使用。或保证仅有一个线程能访问该对象。

线程对立

**线程对立是指无论调用端是否采取同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。由于Java语言天生就具备多线程特性，线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的，而且通常都是有害的，应当尽量避免。
一个线程对立的例子是Thread类的suspend()和resume()**方法，如果有两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试去中断线程，另一个尝试去恢复线程，如果并发进行的话，无论调用时是否进行了同步，目标线程都是存在死锁风险的，如果suspend()中断的线程就是即将要执行resume()的那个线程，那就肯定要产生死锁了。也正是由于这个原因，suspend()和resume()方法已经被JDK声明废弃（@Deprecated）了。常见的线程对立的操作还有System.setIn()、Sytem.setOut()和System.runFinalizersOnExit()等。

线程安全实现

了解线程安全后，接下来学习如何实现线程安全。常见实现线程安全的方法有三种：互斥同步（阻塞同步）、非阻塞同步、 无同步。

互斥同步（Mutual Exclusion＆Synchronization）

互斥同步也被称为阻塞同步（Blocking Synchronization），是常见的一种并发正确性保障手段。同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一个（或者是一些，使用信号量的时候）线程使用。而互斥是实现同步的一种手段，临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）都是主要的互斥实现方式。简言之，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关键字。除synchronized关键字外，还可以使用java.util.concurrent（下文称J.U.C）包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步。在基本用法上，ReentrantLock与synchronized很相似，他们都具备一样的线程重入特性，只是代码写法上有点区别，一个表现为API层面的互斥锁（lock()和unlock()方法配合try/finally语句块来完成），另一个表现为原生语法层面的互斥锁。
互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，这也是这种同步称为阻塞同步的原因。互斥同步属于一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施（例如加锁），那就肯定会出现问题，无论共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁（这里讨论的是概念模型，实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加锁）、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。

非阻塞同步（Non-Blocking Synchronization）

随着硬件指令集的发展，我们有了另外一个选择：基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地说，就是先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了;如果共享数据有争用，产生了冲突，那就再采取其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重试，直到成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步操作称为非阻塞同步。
为什么说使用乐观并发策略需要“硬件指令集的发展”才能进行呢？因为我们需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，靠什么来保证呢？如果这里再使用互斥同步来保证就失去意义了，所以我们只能靠硬件来完成这件事情，硬件保证一个从语义上看起来需要多次操作的行为只通过一条处理器指令就能完成，这类指令常用的有：
测试并设置（Test-and-Set）
获取并增加（Fetch-and-Increment）
交换（Swap）
比较并交换（Compare-and-Swap，下文称CAS）
加载链接/条件存储（Load-Linked/Store-Conditional，下文称LL/SC）
其中，CAS指令需要有3个操作数，分别是内存位置（在Java中可以简单理解为变量的内存地址，用V表示）、旧的预期值（用A表示）和新值（用B表示）。CAS指令执行时，当且仅当内存位置V中存储值符合旧预期值A时，处理器用新值B更新V的值，否则它就不执行更新，但是无论是否更新V的值，都会返回V的旧值（保证不存在其他线程更新该值），上述的处理过程是一个原子操作。
在JDK 1.5之后，才可以使用CAS操作，该操作由sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法包装提供，虚拟机在内部对这些方法做了特殊处理，即时编译出来的结果就是一条平台相关的处理器CAS指令，没有方法调用的过程，或者可以认为是无条件内联进去了。
由于Unsafe类不是提供给用户程序调用的类（Unsafe.getUnsafe()的代码中限制了只有启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）加载的Class才能访问它），因此，如果不采用反射手段，我们只能通过其他的Java API来间接使用它，如J.U.C包里面的整数原子类，其中的**compareAndSet()和getAndIncrement()**等方法都使用了Unsafe类的CAS操作。

无同步方案

要保证线程安全，并不一定就要进行同步，两者没有因果关系。同步只是保证共享数据争用时的正确性的手段。如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性，因此会有一些代码天生就是线程安全的，下面简单地介绍其中的两类。
(1) 可重入代码（Reentrant Code）
可重入代码也叫做纯代码（Pure Code），可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码（包括递归调用它本身），而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。
相对线程安全来说，可重入性是更基本的特性，它可以保证线程安全，即所有的可重入的代码都是线程安全的，但是并非所有的线程安全的代码都是可重入的。
可重入代码有一些共同的特征，例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数传入、不调用非可重入的方法等。可以通过一个简单的原则来判断代码是否具备可重入性：如果一个方法，它的返回结果是可以预测的：只要输入了相同的数据，就都能返回相同的结果。
(2) 线程本地存储（Thread Local Storage）
如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行？如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。
符合这种特点的应用并不少见，大部分使用消费队列的架构模式（如“生产者-消费者”模式）都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完，其中最重要的一个应用实例就是经典Web交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”（Thread-per-Request）的处理方式，这种处理方式的广泛应用使得很多Web服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。（不适合在线程池中使用）
Java语言中，如果一个变量要被多线程访问，可以使用volatile关键字声明它为“易变的”;如果一个变量要被某个线程独占，Java中就没有类似C++中**__declspec（thread）这样的关键字，不过还是可以通过java.lang.ThreadLocal类**来实现线程本地存储的功能。
每一个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象，这个对象存储了一组以TreadLocal.threadLocalHashCode为键，以本地线程变量为值的K-V值对，ThreadLocal对象就是当前线程的ThreadLocalMap的访问入口，每一个ThreadLocal对象都包含了一个独一无二的threadLocalHashCode值，使用这个值就可以在线程K-V值对中找回对应的本地线程变量。

原子性

所谓原子性操作就是指这些操作是不可中断的，要么一定做完，要么就没有执行。 比如：
i = 2; // 赋值操作，是原子性操作
j = i; // 读取i的值，然后再赋值给j, 2步操作
i++; // 读取i的值，加1，再写回主存，3步操作
Java中基本数据类型的读取和赋值操作是原子性操作。有个例外是，虚拟机规范中允许对64位数据类型(long和double)，分为2次32位的操作来处理，但是最新JDK实现时还是实现了原子操作的。 JMM只实现了基本的原子性，诸如i++那样的操作，必须借助于synchronized或Lock对象来保证整个代码块的原子性。
综上，在Java中只有以下两类场景能保证原子性：
(1) 基本数据类型的读取和赋值操作是原子性操作;
(2) lock操作和unlock操作之间的操作是原子性操作。由于lock和unlock操作未直接开放给用户，可使用更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit隐式调用这两个操作。对应Java代码，就是synchronized代码块是原子性操作，Lock对象修饰的代码块是原子性操作。

竞态条件（Race Condition）

在并发编程中，竞态条件是指由于不恰当的执行时序而出现不正确的结果的情况。当某个计算的正确性取决于多个线程交替执行时序时，那么就会发生竞态条件。简言之，正确的结果要取决于运气。最常见的竞态条件类型是“先检查后执行（Check-Then-Act）”操作，即通过一个可能失效的观测结果来决定下一步的操作：首先观察到某个条件为“真”（如文件X不存在），然后根据这个观察结果采用响应的动作（如创建文件X）。而事实上，在观察到这个结果以及开始创建文件之间，观察结果可能已经无效（另一个线程在这期间创建了文件X），从而导致各种问题（未预期的异常、数据被覆盖、文件被破坏等）。
要避免竞态条件问题，就必须在某个线程修改该变量时，通过某种方式防止其他线程使用这个变量，从而确保其他线程只能在修改操作完成之前或之后读取和修改状态，而不是在修改状态的过程中。为此，可以使用线程安全对象（原子变量类、线程安全类等）来确保代码的线程安全性。
典型的场景是使用双锁检验实现的单例模式