1. 互斥同步

synchronized 和 ReentrantLock。

2. 非阻塞同步

互斥同步最主要的問題就是線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題，因此這種同步也稱為阻塞同步。

互斥同步屬于一種悲觀的并發(fā)策略，總是認(rèn)為只要不去做正確的同步措施，那就肯定會出現(xiàn)問題。

無論共享數(shù)據(jù)是否真的會出現(xiàn)競爭，它都要進(jìn)行加鎖（這里討論的是概念模型，實際上虛擬機(jī)會優(yōu)化掉很大一部分不必要的加鎖） 、用戶態(tài)核心態(tài)轉(zhuǎn)換、維護(hù)鎖計數(shù)器和檢查是否有被阻塞的線程需要喚醒等操作。

2.1 CAS

隨著硬件指令集的發(fā)展，我們可以使用基于沖突檢測的樂觀并發(fā)策略：先進(jìn)行操作，如果沒有其它線程爭用共享數(shù)據(jù)，那操作就成功了，否則采取補(bǔ)償措施（不斷地重試，直到成功為止） 。

這種樂觀的并發(fā)策略的許多實現(xiàn)都不需要將線程阻塞，因此這種同步操作稱為非阻塞同步。

樂觀鎖需要操作和沖突檢測這兩個步驟具備原子性，這里就不能再使用互斥同步來保證了，只能靠硬件來完成。硬件支持的原子性操作最典型的是：比較并交換（Compare-and-Swap，CAS）。

CAS 指令需要有 3 個操作數(shù)，分別是內(nèi)存地址V、舊的預(yù)期值 A 和新值 B。當(dāng)執(zhí)行操作時，只有當(dāng) V 的值等于 A，才將 V 的值更新為 B。

2.2?AtomicInteger

J.U.C 包里面的整數(shù)原子類 AtomicInteger，其中的 compareAndSet() 和getAndIncrement() 等方法都使用了 Unsafe 類的 CAS 操作。

以下代碼使用了 AtomicInteger 執(zhí)行了自增的操作。

private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();public void add() {cnt.incrementAndGet(); }

以下代碼是 incrementAndGet() 的源碼，它調(diào)用了 unsafe 的 getAndAddInt() 。

public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; }

以下代碼是 getAndAddInt() 源碼，var1 指示對象內(nèi)存地址，var2 指示該字段相對對象內(nèi)存地址的偏移，var4 指示操作需要加的數(shù)值，這里為 1。

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4){int var5;do {var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));return var5; }

通過getIntVolatile(var1, var2) 得到舊的預(yù)期值，通過調(diào)用 compareAndSwapInt() 來進(jìn)行 CAS 比較，如果該字段內(nèi)存地址中的值等于 var5，那么就更新內(nèi)存地址為var1+var2 的變量為 var5+var4。

可以看到 getAndAddInt() 在一個循環(huán)中進(jìn)行，發(fā)生沖突的做法是不斷的進(jìn)行重試。

3. 無同步方案

要保證線程安全，并不是一定就要進(jìn)行同步。

如果一個方法本來就不涉及共享數(shù)據(jù)，那它自然就無須任何同步措施去保證正確性。

3.1 棧封閉

多個線程訪問同一個方法的局部變量時，不會出現(xiàn)線程安全問題，因為局部變量存儲在虛擬機(jī)棧中，屬于線程私有的。

import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors;public class StackClosedExample {public void add100() {int cnt = 0;for (int i = 0; i < 100; i++) {cnt++;}System.out.println(cnt);} }public static void main(String[] args) {StackClosedExample example = new StackClosedExample();ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();executorService.execute(() -> example.add100());executorService.execute(() -> example.add100());executorService.shutdown(); }

運(yùn)行結(jié)果：

3.2?線程本地存儲（Thread Local Storage）

如果一段代碼中所需要的數(shù)據(jù)必須與其他代碼共享，那就看看這些共享數(shù)據(jù)的代碼是否能保證在同一個線程中執(zhí)行。

如果能保證，我們就可以把共享數(shù)據(jù)的可見范圍限制在同一個線程之內(nèi)，這樣，無須同步也能保證線程之間不出現(xiàn)數(shù)據(jù)爭用的問題。

符合這種特點(diǎn)的應(yīng)用并不少見：

• 大部分使用消費(fèi)隊列的架構(gòu)模式（如“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”模式） 都會將產(chǎn)品的消費(fèi)過程盡量在一個線程中消費(fèi)完。
• 其中最重要的一個應(yīng)用實例就是經(jīng)典 Web 交互模型中的“一個請求對應(yīng)一個服務(wù)器線程”（Thread-perRequest） 的處理方式，這種理方式的廣泛應(yīng)用使得很多 Web 服務(wù)端應(yīng)用都可以使用線程本地存儲來解決線程安全問題。

可以使用 java.lang.ThreadLocal 類來實現(xiàn)線程本地存儲功能。

對于以下代碼，thread1 中設(shè)置 threadLocal 為 1，而 thread2 設(shè)置 threadLocal 為2。過了一段時間之后，thread1 讀取 threadLocal 依然是 1，不受 thread2 的影響。

public class ThreadLocalExample {public static void main(String[] args) {ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();Thread thread1 = new Thread(() -> {threadLocal.set(1);try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(threadLocal.get());threadLocal.remove();});Thread thread2 = new Thread(() -> {threadLocal.set(2);threadLocal.remove();});thread1.start();thread2.start();} }

運(yùn)行結(jié)果：

為了理解 ThreadLocal，先看以下代碼：

public class ThreadLocalExample1 {public static void main(String[] args) {ThreadLocal threadLocal1 = new ThreadLocal();ThreadLocal threadLocal2 = new ThreadLocal();Thread thread1 = new Thread(() -> {threadLocal1.set(1);threadLocal2.set(1);});Thread thread2 = new Thread(() -> {threadLocal1.set(2);threadLocal2.set(2);});thread1.start();thread2.start();} }

它所對應(yīng)的底層結(jié)構(gòu)圖為：

每個 Thread 都有一個 ThreadLocal.ThreadLocalMap 對象，Thread 類中就定義了ThreadLocal.ThreadLocalMap 成員。

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained * by the ThreadLocal class. */ ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

當(dāng)調(diào)用一個 ThreadLocal 的 set(T value) 方法時，先得到當(dāng)前線程的ThreadLocalMap 對象，然后將 ThreadLocal->value 鍵值對插入到該 Map 中。

public void set(T value) {Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null)map.set(this, value);elsecreateMap(t, value); }

get() 方法類似。

public T get() {Thread t = Thread.currentThread();ThreadLocalMap map = getMap(t);if (map != null) {ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);if (e != null) {@SuppressWarnings("unchecked")T result = (T)e.value;return result;}}return setInitialValue(); }

ThreadLocal 從理論上講并不是用來解決多線程并發(fā)問題的，因為根本不存在多線程競爭。

在一些場景 (尤其是使用線程池) 下，由于 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 ThreadLocal 有內(nèi)存泄漏的情況，應(yīng)該盡可能在每次使用 ThreadLocal后手動調(diào)用 remove()，以避免出現(xiàn) ThreadLocal 經(jīng)典的內(nèi)存泄漏甚至是造成自身業(yè)務(wù)混亂的風(fēng)險。

3.3?可重入代碼（Reentrant Code）

這種代碼也叫做純代碼（Pure Code） ，可以在代碼執(zhí)行的任何時刻中斷它，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行另外一段代碼（包括遞歸調(diào)用它本身） ，而在控制權(quán)返回后，原來的程序不會出現(xiàn)任何錯誤。

可重入代碼有一些共同的特征，例如不依賴存儲在堆上的數(shù)據(jù)和公用的系統(tǒng)資源、用到的狀態(tài)量都由參數(shù)中傳入、不調(diào)用非可重入的方法等。

?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的线程安全的实现方法的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。