隨著硬件技術(shù)的快速發(fā)展（比如多核處理器，超線程技術(shù)），我們通常會(huì)在代碼中使用多線程（比如線程池）來(lái)提高性能，但是，多線程又會(huì)帶來(lái)線程安全問(wèn)題。因此，本文將深入探討Java中的線程安全問(wèn)題。

1.什么是線程安全？

首先，我們來(lái)看看維基百科對(duì)線程安全是如何描述的，如下圖：

總結(jié)一下：線程安全（Thread Safety）是指多個(gè)線程訪問(wèn)共享資源時(shí)，不會(huì)破壞資源的完整性。如下圖：

請(qǐng)注意，導(dǎo)致線程安全問(wèn)題一定要同時(shí)具備以下 3個(gè)條件，缺一不可：

• 多線程環(huán)境：如果是單線程，程序肯定會(huì)串行順序執(zhí)行，不可能出現(xiàn)線程安全問(wèn)題。
• 操作共享資源：所謂共享資源是指多個(gè)線程或進(jìn)程可以同時(shí)訪問(wèn)和使用的資源。如果每個(gè)線程都是操作自己的局部變量，盡管滿足條件1，但也不會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題。
• 至少存在一個(gè)寫操作：如果是多線程讀取共享資源，盡管滿足了前 2個(gè)條件，但是讀操作天然是冪等的，因此也不會(huì)出現(xiàn)線程安全的問(wèn)題，所以線程中至少存在一個(gè)寫操作。

上面從表象上說(shuō)明線程安全需要具備的 3個(gè)條件，在 Java中，線程安全性通常涉及以下 3個(gè)指標(biāo)：

• 原子性（Atomicity）：操作要么全部完成，要么全部不完成。
• 可見(jiàn)性（Visibility）：一個(gè)線程對(duì)共享變量的修改對(duì)其他線程是立即可見(jiàn)的。
• 有序性（Ordering）：程序的執(zhí)行順序符合預(yù)期，不會(huì)因?yàn)榫幾g器優(yōu)化或CPU重排序而改變。

2. 產(chǎn)生線程安全的根因

在 Java中，造成線程安全問(wèn)題的根因是硬件結(jié)構(gòu)，為了消除 CPU和主內(nèi)存之間的硬件速度差，通常會(huì)在兩者之間設(shè)置多級(jí)緩存（L1 ～ L3），如下圖：

Java為了適配這種多級(jí)緩存的硬件構(gòu)造，設(shè)計(jì)了一套與之對(duì)應(yīng)的內(nèi)存模型（JMM，Java memory model，包括主內(nèi)存和工作內(nèi)存，如下圖：

• 主內(nèi)存：所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中。
• 工作內(nèi)存：每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存，會(huì)將主內(nèi)存的共享變量復(fù)制到自己的工作內(nèi)存中，然后做后續(xù)業(yè)務(wù)操作，最終再將工作內(nèi)存中的變量刷新到主內(nèi)存。

線程對(duì)變量的所有操作（讀取、寫入）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。線程之間無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方的工作內(nèi)存，變量的傳遞需要通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成。

關(guān)于 Java內(nèi)存模型的原理，我們會(huì)在另外的文章中單獨(dú)講解，本文只是概要性的總結(jié)。

3. 原子性

在數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)ACID中也有原子性（Atomicity）的概念，它是指一個(gè)操作是不可分割的，即要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。Java線程安全中的原子性與數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)中的原子性本質(zhì)是一樣的，只是它們應(yīng)用的上下文和具體實(shí)現(xiàn)有所不同。

Java提供了多種方式來(lái)保證原子性，比如 同步塊、鎖或者原子類。

為了更好的說(shuō)明原子性，我們這里以一個(gè)反例來(lái)展示不具備原子性，如下代碼：

public class AtomicityTest {
    private int i = 0;
    public void increment() {
        i++;
    }
}

在上述代碼中，i++這種寫法在我們的日常開(kāi)發(fā)經(jīng)常使用，但它不是一個(gè)原子操作，實(shí)際上i++分為三步：

• 讀取i的值
• 將i的值加 1
• 將結(jié)果寫回給i

如果多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行increment()方法，可能會(huì)導(dǎo)致i的值不正確，比如有 3個(gè)線程A，B，C：

• 線程A讀取i的值，并且將i的值加 1，但是還未將結(jié)果寫回給i；
• 此時(shí)，線程B讀取i的值仍然是0，并且將i的值加 1；
• 線程A 將結(jié)果寫回給i，將i設(shè)置為 1;
• 線程B 將結(jié)果寫回給i，將i設(shè)置為 1;
• 線程C 讀取i的值為1，并且將i的值加 1，并且將結(jié)果寫回給i，將i設(shè)置為 2;

3個(gè)線程都對(duì)i進(jìn)行i++操作，預(yù)期i的最終值是 3，但因?yàn)閕++無(wú)法保證原子性，因此，i最終的值未達(dá)到預(yù)期的值。

4. 可見(jiàn)性

可見(jiàn)性是指一個(gè)線程對(duì)共享變量的修改，其他線程能立刻看到。在Java中，volatile關(guān)鍵字可以保證變量的可見(jiàn)性。

為了更好的說(shuō)明可見(jiàn)性，我們這里以一個(gè)示例進(jìn)行分析，如下代碼：

public class VisibilityTest {
    private boolean running = true;

    public void stop() {
        running = false;
    }

    public void run() {
        while (running) {
            // do something
        }
    }
}

在上述代碼中，變量running是一個(gè)全局變量，如果沒(méi)有使用volatile關(guān)鍵字，running 變量的修改可能不會(huì)被其他線程立即看到。

5. 有序性

有序性是指程序代碼的執(zhí)行順序。在單線程環(huán)境中，代碼的執(zhí)行順序通常是按照代碼的書寫順序執(zhí)行的。然而，在多線程環(huán)境中，編譯器、JVM和CPU可能會(huì)為了優(yōu)化性能進(jìn)行指令重排序（Instruction Reordering），這可能會(huì)導(dǎo)致代碼的執(zhí)行順序與預(yù)期不一致。

Java內(nèi)存模型（Java Memory Model, JMM）允許編譯器和處理器進(jìn)行指令重排序，但會(huì)保證單線程內(nèi)的執(zhí)行結(jié)果和多線程內(nèi)的同步結(jié)果是正確的。

這里以一個(gè)反例來(lái)展示不具備有序性，如下代碼：

public class ReorderingExample {
private int x = 0;
private boolean flag = false;

    public void writer() {
        x = 42;
        flag = true;
    }

    public void read() {
        if (flag) {
            System.out.println(x); // 可能輸出0
        }
    }
}

在上述代碼中，read()方法可能會(huì)看到flag=true，但x仍然為 0，因?yàn)榫幾g器或CPU可能對(duì)指令進(jìn)行重排序。

6. 如何保證線程安全

在 Java中，通?？梢酝ㄟ^(guò)以下幾個(gè)方式來(lái)保證線程安全。

(1) synchronized關(guān)鍵字

synchronized是Java的一個(gè)原語(yǔ)關(guān)鍵字，它可以保證方法或代碼塊在同一時(shí)刻只能被一個(gè)線程執(zhí)行，從而確保原子性和可見(jiàn)性。

下面的代碼是synchronized關(guān)鍵字的簡(jiǎn)單使用：

public class SynchronizedTest {
private int i = 0;
    public synchronized void increment() {
        i++;
    }
    public synchronized int getCount() {
        return i;
    }
}

(2) Lock 接口

Lock接口提供了比synchronized更靈活的鎖機(jī)制，常用的實(shí)現(xiàn)類有 ReentrantLock 可重入鎖。

下面的代碼是Lock關(guān)鍵字的簡(jiǎn)單使用：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class LockCounter {
private int count = 0;
private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock();
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getCount() {
        lock.lock();
        try {
            return count;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

(3) 原子類

Java提供了一些原子類，如 AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicReference，它們通過(guò)CAS（Compare-And-Swap）操作實(shí)現(xiàn)了非阻塞的線程安全。

下面的代碼是AtomicInteger原子類的簡(jiǎn)單使用：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicTest {
private AtomicInteger atomic = new AtomicInteger();

    public void increment() {
        atomic.incrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return atomic.get();
    }
}

(4) ThreadLocal 類

ThreadLocal類提供了線程局部變量，每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的變量副本，從而避免了共享數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)。

下面的代碼是ThreadLocal類的簡(jiǎn)單使用：

public class ThreadLocalExample {
private static final ThreadLocal<Integer> threadLocal = ThreadLocal.withInitial(() -> 1);

    public int getValue() {
        return threadLocal.get();
    }

    public void setValue(int value) {
        threadLocal.set(value);
    }
}

(5) 分布式鎖

Redis 分布式鎖 或者 Zookeeper分布式鎖是分布式環(huán)境下保證線程安全的常用方法。關(guān)于兩種分布式鎖的原理，會(huì)在其他的文章詳細(xì)分析。

7. 總結(jié)

線程安全是 Java多線程編程中很重要的一部分，本文講解了什么是線程安全以及產(chǎn)生線程安全問(wèn)題的根因，并且通過(guò)原子性，有序性，可見(jiàn)性對(duì)線程安全進(jìn)行了分析。

• 硬件的多級(jí)緩存和Java與之對(duì)應(yīng)的內(nèi)存模型是導(dǎo)致線程安全的根因；
• volatile可以保證變量的可見(jiàn)性，但不能保證原子性，因此無(wú)法保證線程安全；
• synchronized，虛擬機(jī)鎖，原子類，分布式鎖可以保證線程的安全性；