什么是线程安全？
《Java Concurrency In Practice》作者Brian Goetz对“线程安全”有一个比较恰当的定义：
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，那这个对象就是线程安全的。
Java中的线程安全
按照线程安全的安全程序由强至弱来排序，我们可以将Java语言中各种操作共享的数据分为以下五类。
1. 不可变
在Java语言里面，不可变（Immutable）的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，都不需要再进行任何的线程安全保障措施。
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。还java.lang.String类的对象。
2. 绝对线程安全
绝对的线程安全完全满足Brian Goetz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。
3. 相对线程安全
相对的线程安全就是我们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，我们在调用的时候不需要做额外的保障措施，但是对于一些特定顺序的连续调用，就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。
4. 线程兼容
线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，但是可能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安全地使用，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数指的都是这种情况。
5. 线程对立
线程对立是指不管调用端是否采取了同步措施，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。
线程安全的实现方法
我们了解了什么是线程安全之后，那接下来的一个问题就是我们应该如何实现线程安全？这个听起来似乎是一件由代码如何编写来决定的事情，确实，如何实现线程安全与代码的编写有很大关系，但虚拟机提供的同步和锁机制也起到了非常重要的作用。
这就让我们来讲讲其的具体实现吧~~
1. 互斥同步
互斥同步（Mutual Exclusion & Synchroniztion）是最常见的一种并发正确性保障手段。
同步 - 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条（或者是一些，使用信号量的时候）线程使用。
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。
互斥是因，同步是果，互斥是方法，同步是目的。
在Java里面，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference；如果没有明确指定，那就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法，却取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。
根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要去尝试获取对象的锁。如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1，相应的，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁就被释放了。
如果获取对象锁失败了，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。
在虚拟机规范对monitorenter和monitoreexit的行为描述中，有两点是需要特别注意的。
- synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题。
2.同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。
除了synchronized之外，我们还可以使用java.util.concurrent名中的重入锁（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。不过ReentrantLock比synchronized增加了一些高级功能，主要有以下三项：
- 等待可中断 - 当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。
- 公平锁 - 多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁；而非公平锁则不保证这一点，在锁被释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。
- 锁绑定多个条件 - 一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait()和notify()或notifyAll()方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无须这样做，只需要多次调用
newCondition()方法即可。
从上面两个图可以看出，多线程环境下synchronized的吞吐量下降得非常严重，而ReentrantLock则能基本保持在同一个比较稳定的水平上。
总结 - 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，因此这种同步也称为阻塞同步（Blocking Synchronization）。它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（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、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被唤醒等操作。
2. 非阻塞同步
随之硬件指令集的发展，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，那就再进行其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重试，直到试成功了为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步操作被称为非阻塞同步（No-Blocking Synchronization）。
为什么需要“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/条件储存（Load-Linked / Store-Conditional，下文称LL/SC）。
在JDK1.5之后，Java程序中才可以你爱我吗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），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。
尽管CAS看起来很美，但显然这种操作无法涵盖互斥同步的所有使用场景，并且CAS从语义上来说并不是完美的，它存在着一个CAS操作的‘ABA’问题：如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然为A值，那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗？如果在这段期间它的值曾经被改成了B，后来又被改回了A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。
为了解决ABA问题，J.U.C包提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。不过大部分情况下ABA问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。
3. 无同步方案
要保证线程安全，并不是一定就要进行同步，两者没有因果关系。同步只是保障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，这里简单介绍其中的两类：
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可重入代码（Reentant Code）- 这种代码也叫纯代码（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，而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。
特征: 例如不依赖存储在堆上的数据公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。 -
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，比如大部分的消费队列的架构模式，经典WEB交互模型中的“一个请求对应一个服务器纯种”的处理方式。
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”的；如果一个变量要被某个线程独享，可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。
