【51CTO.com原创稿件】应用开发随着业务量的增加，数据量也在不断增加，为了应对海量的数据，通常会采用多线程的方式处理数据。
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谈到 Java 的多线程编程，一定绕不开线程的安全性，线程安全又包括原子性，可见性和有序性等特性。今天，我们就来看看他们之间的关联和实现原理。
线程与竞态
开发的应用程序会在一个进程中运行，换句话说进程就是程序的运行实例。运行一个 Java 程序的实质就是运行了一个 Java 虚拟机进程。
如果说一个进程可以包括多个线程，并且这些线程会共享进程中的资源。任何一段代码会运行在一个线程中，也运行在多个线程中。线程所要完成的计算被称为任务。
为了提高程序的效率，我们会生成多个任务一起工作，这种工作模式有可能是并行的，A 任务在执行的时候，B 任务也在执行。
如果多个任务(线程)在执行过程中，操作相同的资源(变量)，这个资源(变量)被称为共享资源(变量)。
当多个线程同时对共享资源进行操作时，例如：写资源，就会出现竞态，它会导致被操作的资源在不同时间看到的结果不同。
来看看多个线程访问相同的资源/变量的例子如下：
当线程 A 和 B 同时执行 Counter 对象中的 add() 方法时，在无法知道两个线程如何切换的情况下，JVM 会按照下面的顺序来执行代码：
- 从内存获取 this.count 的值放到寄存器。
- 将寄存器中的值增加 value。
- 将寄存器中的值写回内存。
上面操作在线程 A 和 B 交错执行时，会出现以下情况：
两个线程分别加 2 和 3 到 count 变量上，我们希望的结果是，两个线程执行后 count 的值等于 5。
但是，两个线程交叉执行，即使两个线程从内存中读出的初始值都是 0，之后各自加了 2 和 3，并分别写回内存。
然而，最终的值并不是期望的 5，而是最后写回内存的那个线程(A 线程)的值(3)。
最后写回内存的是线程 A 所以结果是 3，但也有可能是线程 B 最后写回内存，所以结果是不可知的。
因此，如果没有采用同步机制，线程间的交叉写资源/变量，结果是不可控的。
我们把这种一个计算结果的正确性与时间有关的现象称作竞态(Race Condition)。
线程安全
前面我们谈到，当多线程同时写一个资源/变量的时候会出现竞态的情况。这种情况的发生会造成，最终结果的不确定性。
如果把这个被写的资源看成 Java 中的一个类的话，这个类不是线程安全的。
即便这个类在单线程环境下运作正常，但在多线程环境下就无法正常运行。例如：ArrayList，HashMap，SimpledateFormat。
那么，为了做到线程安全，需要从以下三个方面考虑，分别是：
- 原子性
- 可见性
- 有序性
原子性
原子性是指某个操作或者多个操作，要么全部执行，要么就都不执行，不会出现中间过程。换成线程执行也一样，线程中执行的操作要么不执行，要么全部执行。
例如，在 Java 中，基本数据类型读取操作就是原子性操作，来看下面的语句：
- x = 10
- x = x + 1
第一句是原子性操作，因为其直接将数值 10 赋值给 x，线程执行这个语句时直接将 10 写到内存中。
第二句包含三个操作，读取 x 的值，进行加 1 操作，写入新的值。这三个操作合起来就不是原子性操作了。
Java 中的原子包括：
- lock(锁定)
- unlock(解锁)
- read(读取)
- load(载入)
- use(使用)
- assign(赋值)
- store(存储)
- write(写入)
假设 A，B 两个线程一起执行语句 2，同时对 x 变量进行写操作，由于不满足原子性操作，因此得到的结果也是不确定的。在 Java 中有两种方式来实现原子性。一种是使用锁(Lock)。
锁具有排他性，在多线程访问时，能够保障一个共享变量在任意时刻都能够被一个线程访问，也就是排除了竞态的可能。
另一种是利用处理器提供的 CAS(Compare-and-Swap)指令实现，它是直接在硬件(处理器和内存)这一层实现的，被称为“硬件锁”。
可见性
说完了原子性，再来谈谈可见性。名如其意，在多线程访问中，一个线程对某个共享变量进行更新以后，后续访问的线程可以立即读取更新的结果。
这种情况就称作可见，对共享变量的更新对其他线程是可见的，否则就称不可见。
来看看 Java 是如何实现可见性的。首先，假设线程 A 执行了一段指令，这个指令在 CPU A 中运行。
这个指令写的共享变量会存放在 CPU A 的寄存器中。当指令执行完毕以后，会将共享变量从寄存器中写入到内存中。
PS：实际上是通过寄存器到高速缓存，再到写缓冲器和无序化队列，最后写到内存的。
这里为了举例，采用了简化的说法。这样做的目的是，让共享变量能够被另外一个 CPU 中的线程访问到。
因此，共享变量写入到内存的行为称为“冲刷处理器缓存”。也就是把共享变量从处理器缓存，冲刷到内存中。
冲刷处理器缓存
此时，线程 B 刚好运行在 CPU B 上，指令为了获取共享变量，需要从内存中的共享变量进行同步。
这个缓存同步的过程被称为，“刷新处理器缓存”。也就是从内存中刷新缓存到处理器的寄存器中。
经过这两个步骤以后，运行在 CPU B 上的线程就能够同步到，CPU A 上线程处理的共享变量来。也保证了共享变量的可见性。
刷新处理器缓存
有序性
说完了可见性，再来聊聊有序性。Java 编译器针对代码执行的顺序会有调整。
它有可能改变两个操作执行的先后顺序，另外一个处理器上执行的多个操作，从其他处理器的角度来看，指令的执行顺序有可能也是不一致的。
在 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。
究其原因，编译器出于性能的考虑，在不影响程序(单线程程序)正确性的情况下，对源代码顺序进行调整。
在 Java 中，可以通过 Volatile 关键字来保证“有序性”。还可以通过 Synchronized 和 Lock 来保证有序性。后面还会介绍通过内存屏障来实现有序性。
多线程同步与锁
前面讲到了线程竞态和线程安全，都是围绕多线程访问共享变量来讨论的。正因为有这种情况出现，在进行多线程开发的时候需要解决这个问题。
为了保障线程安全，会将多线程的并发访问转化成串行的访问。锁(Lock)就是利用这种思路来保证多线程同步的。
锁就好像是共享数据访问的许可证，任何线程需要访问共享数据之前都需要获得这个锁。
当一个线程获取锁的时候，其他申请锁的线程需要等待。获取锁的线程会根据线程上的任务执行代码，执行代码以后才会释放掉锁。
在获得锁与释放锁之间执行的代码区域被称为临界区，在临界区中访问的数据，被称为共享数据。
在该线程释放锁以后，其他的线程才能获得该锁，再对共享数据进行操作。
多线程访问临界区，访问共享数据
上面描述的操作也被称为互斥操作，锁通过这种互斥操作来保障竞态的原子性。
记得前面谈到的原子性吗?一个或者多个对共享数据的操作，要么完成，要么不完成，不能出现中间状态。
假设临界区中的代码，并不是原子性的。例如前文提到的“x=x+1”，其中就包括了三个操作，读取 x 的值，进行加 1 操作，写入新的值。
如果在多线程访问的时候，随着运行时间的不同会得到不同的结果。如果对这个操作加上锁，就可以使之具有“原子性”，也就是在一个线程访问的时候其他线程无法访问。
说完了多线程开发中锁的重要性，再来看看 Java 有那几种锁。
内部锁
内部锁也称作监视器(Monitor)，它是通过 Synchronized 关键字来修饰方法及代码块，来制造临界区的。
Synchronized 关键字可以用来修饰同步方法，同步静态方法，同步实例方法，同步代码块。
Synchronized 引导的代码块就是上面提到的临界区。锁句柄就是一个对象的引用，例如：它可以写成 this 关键字，就表示当前对象。
锁句柄对应的监视器被称为相应同步块的引导锁，相应的我们称呼相应的同步块为该锁引导的同步块。
内部锁示意图
锁句柄通常采用 final 修饰(private final)。因为锁句柄一旦改变，会导致同一个代码块的多个线程使用不同的锁，而导致竞态。
同步静态方法相当于当前类为引导锁的同步块。线程在执行临界区代码的时候，必须持有该临界区的引导锁。
一旦执行完临界区代码，引导该临界区的锁就会被释放。内部锁申请和释放的过程由 Java 虚拟机负责完成。
所以 Synchronized 实现的锁被称为内部锁。因此不会导致锁泄露，Java 编译器在将代码块编译成字节码的时候，对临界区抛出的异常进行了处理。
Java 虚拟机会给每个内部锁分配一个入口集(Entry Set)，用于记录等待获取锁的线程。申请锁失败的线程会在入口集中等待再次申请锁的机会。
当等待的锁被其他线程释放时，入口集中的等待线程会被唤醒，获得申请锁的机会。
内部锁的机制会在等待的线程中进行选择，选择的规则会根据线程活跃度和优先级来进行，被选中的线程会持有锁进行后续操作。
显示锁
显示锁是 JDK 1.5 开始引入的排他锁，作为一种线程同步机制存在，其作用与内部锁相同，但它提供了一些内部锁不具备的特性。显示锁是 java.util.concurrent.locks.Lock 接口的实例。
显示锁实现的几个步骤分别是：
- 创建 Lock 接口实例
- 申请显示锁 Lock
- 对共享数据进行访问
- 在 finally 中释放锁，避免锁泄漏
显示锁使用实例图
显示锁支持非公平锁也支持公平锁。公平锁中, 线程严格先进先出(FIFO)的顺序，获取锁资源。
如果有“当前线程”需要获取共享变量，需要进行排队。当锁被释放，由队列中排第一个的线程(Node1)获取，依次类推。
公平锁示意图
非公平锁中，在线程释放锁的时候, “当前线程“和等待队列中的第一个线程(Node1)竞争锁资源。通过线程活跃度和优先级来确定那个线程持有锁资源。
非公平锁示意图
公平锁保证锁调度的公平性，但是增加了线程暂停和唤醒的可能性，即增加了上下文切换的代价。非公平锁加入了竞争机制，会有更好的性能，能够承载更大的吞吐量。
当然，非公平锁让获取锁的时间变得更加不确定，可能会导致在阻塞队列中的线程长期处于饥饿状态。
线程同步机制：内存屏障
说了多线程访问共享变量，存在的竞态问题，然后引入锁的机制来解决这个问题。
上文提到内部锁和显示锁来解决线程同步的问题，而且提到了解决了竞态中“原子性”的问题。
那么接下来，通过介绍内存屏障机制，来理解如何实现“可见性”和“有序性”的。
这里就引出了内存屏障的概念，内存屏障是被插入两个 CPU 指令之间执行的，它是用来禁止编译器，处理器重排序从而保证有序性和可见性的。
对于可见性来说，我们提到了线程获得和释放锁时分别执行的两个动作：“刷新处理器缓存”和“冲刷处理器缓存”。
前一个动作保证了，持有锁的线程读取共享变量，后一个动作保证了，持有锁的线程对共享变量更新之后，对于后续线程可见。
另外，为了达到屏障的效果，它也会使处理器写入、读取值之前，将主内存的值写入高速缓存，清空无效队列，从而保障可见性。
对于有序性来说。下面来举个例子说明，假设有一组 CPU 指令：
- Store 表示“存储指令”
- Load 表示“读取指令”
- StoreLoad 代表“写读内存屏障”
StoreLoad 内存屏障示意图
StoreLoad 屏障之前的 Store 指令，无法与 StoreLoad 屏障之后的 Load 指令进行交换位置，即重排序。
但是 StoreLoad 屏障之前和之后的指令是可以互换位置的，即 Store1 可以和 Store2 互换，Load2 可以和 Load3 互换。
常见有 4 种屏障：
- LoadLoad 屏障：指令顺序如：Load1→LoadLoad→Load2。 需要保证 Load1 指令先完成，才能执行 Load2 及后续指令。
- StoreStore 屏障：指令顺序如：Store1→StoreStore→Store2。需要保证 Store1 指令对其他处理器可见，才能执行 Store2 及后续指令。
- LoadStore 屏障：指令顺序如：Load1→LoadStore→Store2。需要保证 Load1 指令执行完成，才能执行 Store2 及后续指令。
- StoreLoad 屏障：指令顺序如：Store1→StoreLoad→Load2。需要保证 Store1 指令对所有处理器可见，才能执行 Load2 及后续指令。
这种内存屏障的开销是四种中最大的(冲刷写缓冲器，刷新处理器缓存)。它也是个万能屏障，兼具其他三种内存屏障的功能。
一般在 Java 常用 Volatile 和 Synchronized 关键字实现内存屏障，也可以通过 Unsafe 来实现。
总结
从线程的定义和多线程访问共享变量开始，出现了线程对资源的竞态现象。竞态会使多线程访问资源的时候，随着时间的推移，资源结果不可控制。
这个给我们的多线程编程提出了挑战。于是，我们需要通过原子性，可见性，有序性来解决线程安全的问题。
对于共享资源的同步可以解决这些问题，Java 提供内部锁和显示锁作为解决方案的最佳实践。
在最后，又介绍了线程同步的底层机制：内存屏障。它通过组织 CPU 指令的重排序解决了可见性和有序性的问题。
作者：崔皓
简介：十六年开发和架构经验，曾担任过惠普武汉交付中心技术专家，需求分析师，项目经理，后在创业公司担任技术/产品经理。善于学习，乐于分享。目前专注于技术架构与研发管理。
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