什么是线程安全

当多个线程访问某个类时，不管运行环境采用何种调度方式或者这些线程如何交替执行，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。

 

竞态条件

当某个计算的正确性取决于多个线程的交替执行时序时，那么就会发生竞态条件。换句话说就是正确的结果取决于运气。

 

数据竞争

数据竞争是指，如果在访问非final类型的域时没有采用同步来进行协同，那么就会出现竞争。

 

重入

由于内置锁是可以重入的，因此如果某个线程试图获得一个已由它自己持有的锁，那么这个请求就会成功。“重入”意味着获取锁的操作的粒度是“线程”，不是“调用”。（这与pthread<POSIX线程>互斥体的默认加锁行为是不同，pthread互斥体的获取锁操作是以“调用”为粒度的）

 

用锁来保护状态

如果用同步锁来协调对某个变量的访问，那么子访问这个变量的所有位置上都需要使用同步。而且，当使用锁来协调某个变量的访问时，在访问变量的所有位置上都要使用同一个锁。

 

活跃性

安全性的含义是“永远不发生糟糕的事情”，而活跃性则关注于另一个目标，即“某件正确的事情最终会发生”。当某个操作无法继续执行下去时，就会发生活跃性问题。

当执行时间较长的计算或者可能无法快速完成的操作时（例如，网络I/O或控制台I/0），一定不要持有锁。

 

volatile变量

从内存可见性的角度来看，写入volatile变量相当于退出同步代码块，而读取volatile变量相当于进入同步代码块。

volatile变量的正确使用方式包括：确保它们自身状态的可见性，确保它们所有引用对象的状态可见性，以及标志一些重要的程序声明周期时间发生（例如，初始化或关闭）。

 

发布与逸出

“发布（Publish）”一个对象的意思是指，使对象能够在当前作用域之外的代码中使用。

当某个不应该发布的对象被发布时，这种情况称之为“逸出（Escape）”。

 

线程封闭

当访问共享的可变数据时，通常需要使用同步。一种避免使用同步的方式就是不共享数据，就不需要同步。这种技术称之为线程封闭（Thread Confinement），它是实现线程安全性的最简单方式之一。这种用法将自动实现线程安全性，即使被封闭的对象本身不是线程安全的。

线程封闭是在程序设计中考虑的一个因素，必须在程序中实现。维持线程封闭的一种更规范方法是使用ThreadLocal。

 

Ad-hoc线程封闭

Ad-hoc线程封闭是指，维护线程封闭性职责完全由程序实现来承担。

 

栈封闭

栈封闭是线程封闭的一个特例，在栈封闭中，只能通过局部变量才能访问对象。局部变量的固有属性之一就是封闭在执行线程中。在维持对象引用的栈封闭时，程序员需要多做一些工作以确保被引用的对象不会逸出。

（只有编写代码的开发人员才知道哪些对象需要被封闭到线程中，如果没有明确的文档说明，后期维护的人员很容易错误的使对象逸出）

 

不变性

如果某个对象在被创建后其状态就不能被修改，那么这个对象就称之为不可变对象。

不可变需求：状态不可修改，所有域都是final域，以及正确的构造过程。

 

Final域

在Java内存模型中，final域还有着特殊的语义。final域能确保初始化过程的安全性，从而可以不受限制地访问不可变对象，并在共享这些对象时无须同步。

 

事实不可变对象

如果对象从技术上来说是可变的，但其状态在发布后不会再改变，那么把这种对象称之为事实不可变对象（Effectively Immutable Object）。

不可变对象可以通过任意机制来发布

事实不可变对象必须通过安全方式发布。

可变对象必须通过方式发布，并且必须是线程安全的或者由某个锁保护起来。

 

并发程序中共享对象

线程封闭、只读共享、线程安全共享、保护对象。

 

客户端加锁机制

客户端加锁机制是指，对于使用某个对象X的客户端代码，使用X本身用于保护其状态的锁来这段客户端代码。要使用客户端加锁，你必须知道对象X使用的是哪一个锁。

 

闭锁

闭锁是一种同步工具类，可以延迟线程的进度直到其达到终止状态。

 

计数信号量

计数信号量用来控制同时访问某个特定资源的操作数量，或者同时执行某个指定操作的数量

 

二值信号量

二值信号量可以用作互斥体，并具备不可重入的加锁语义：谁拥有这个唯一的许可，谁就拥有了互斥锁。

 

栅栏

栅栏类似于闭锁，它能组织一组线程直到某个事件发生。栅栏与闭锁的关键区别在于，所有线程必须同时到达栅栏的位置，才能继续执行。闭锁用于等待事件，而栅栏用于等待其他线程。

 

Exchanger栅栏

这是一种两方栅栏，各方在栅栏位置交换数据，当两方执行不对称操作时，Exchanger会非常有用，例如当一个线程向缓冲区写入数据，而另一个线程从缓冲区读取数据。

 

缓存导致性能瓶颈转移

简单的缓存可能会将性能的瓶颈转变成可伸缩性瓶颈，即使缓存用于提升单单线程的性能。

 

总结：

• 可变状态是至关重要的。
• 尽量将域声明为final类型，除非需要它们是可变的。
• 不可变对象一定是线程安全的。
• 封装有助于管理复杂性。
• 用锁来保护每个可变变量。
• 当保护同一个不变性条件中的所有变量时，要使用同一个锁。
• 在执行符合操作期间，要持有锁。
• 如果多个线程中访问同一个可变变量时没有同步机制，那么程序会出先问题。
• 不要故作聪明的推断出不需要使用同步。
• 在设计过程中考虑线程安全，或者在文档中明确的指出它不是线程安全的。
• 将同步策略文档化。