线程安全性

概念

当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行，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。

特性

线程安全性主要体现在三个方面：

原子性：提供了互斥访问，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作
可见性：一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到
有序性：一个线程观察其他线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序。

原子性

JAVA中的原子性，一般涉及两个机制：

JDK中已经提供好的Atomic包，他们均使用了CAS完成线程的原子性操作
使用锁的机制来处理线程之间的原子性。锁包括：synchronized、Lock

Atomic包

AtomicInteger与CAS

我们从最简单的AtomicInteger类来了解什么是CAS

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


public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int v ar4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

/**
* 比较obj的offset处内存位置中的值和期望的值，如果相同则更新。此更新是不可中断的。
* 
* @param obj 需要更新的对象
* @param offset obj中整型field的偏移量
* @param expect 希望field中存在的值
* @param update 如果期望值expect与field的当前值相同，设置filed的值为这个新值
* @return 如果field的值被更改返回true
*/
public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);

getIntVolatile方法获取对象中offset偏移地址对应的整型field的值，支持volatile load语义。

compareAndSwap是一个本地方法，在AtomicInteger类中，它的参数具体含义是：

var1 AtomicInteger对象本身。
var2 该对象值的引用地址。
var4 需要变动的数量
var5 是用过var1 、var2 找出的主内存中真实的值

用该对象当前的值与var5比较，如果相同，更新var5+var4并且返回true；如果不相同继续取值然后在比较，直到更新完成。

简单来说，CAS （CompareAndSwap） 比较当前工作内存中的值和主内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则继续比较直到主内存和工作内存中的值一致为止。

CAS优缺点

优点：非阻塞的轻量级的乐观锁，通过CPU指令实现，在资源竞争不激烈的情况下性能高，相比synchronized重量锁，synchronized会进行比较复杂的加锁、解锁和唤醒操作。
缺点：
- ABA问题：线程C、D；线程D将A修改为B后又修改为A，此时C线程以为A没有改变过。java的原子类AtomicStampedReference，通过控制变量值的版本号来保证CAS的正确性。具体解决思路就是在变量前追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A - B - A就会变成1A - 2B - 3A。
- 自旋时间过长，消耗CPU资源，如果资源竞争激烈，多线程自旋长时间消耗资源。

LongAdder

AtomicLong 的缺陷

AtomicLong 的 Add() 是依赖自旋不断的 CAS 去累加一个 Long 值。如果在竞争激烈的情况下，CAS 操作不断的失败，就会有大量的线程不断的自旋尝试 CAS 会造成 CPU 的极大的消耗。

LongAdder

LongAdder 功能类似 AtomicLong ，在低并发情况下二者表现差不多，在高并发情况下 LongAdder 的表现就会好很多。

LongAdder先尝试一次CAS更新，如果失败会转而通过Cell[]的方式更新值，如果计算index的方式足够散列，那么在并发量大的情况下，多个线程定位到同一个cell的概率也就越低，这有点类似于分段锁的意思。

当需要在高并发下有较好的性能表现，且对值的精确度要求不高时，可以使用LongAdder（例如网站访问人数计数）。当需要保证线程安全，可允许一些性能损耗，要求高精度时，需要使用AtomicLong（例如自增id）。

其他

AtomicBoolean

常用于控制某一件事只让一个线程执行，并仅能执行一次。

AtomicIntegerFieldUpdater

这个类的核心作用是要更新一个指定的类的某一个字段的值。并且这个字段一定要用volatile修饰同时还不能是static的。

AtomicLongArray

这个类实际上维护了一个Array数组，我们在对数值进行更新的时候，会多一个索引值让我们更新。

synchronized

synchronized是java中的一个关键字，是一种同步锁。在synchronized关键字作用范围内，同一时刻只能有一个线程对其进行操作的。

它可以修饰的对象主要有四种：

修饰代码块：大括号括起来的代码，作用于调用的对象
修饰方法：整个方法，作用于调用的对象
修饰静态方法：整个静态方法，作用于所有对象
修饰类：括号括起来的部分，作用于所有对象

原子性操作各方法间的对比

synchronized：不可中断锁，适合竞争不激烈，可读性好
Lock：可中断锁，多样化同步，竞争激烈时能维持常态
Atomic：竞争激烈时能维持常态，比Lock性能好，每次只能同步一个值

可见性

导致可见性失效的原因：

线程交叉执行
重排序结合线程交叉执行
共享变量更新后的值没有在工作内存与主存间及时更新

JVM对于可见性的实现，提供了synchronized和volatile。

synchronized

JMM关于synchronized的两条规定：

线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存
线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（注意：加锁与解锁是同一把锁）

volatile

volatile通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现

对volatile变量写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令，将本地内存中的共享变量值刷新到主内存
对volatile变量读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令，从主内存中读取共享变量
volatile的屏障操作都是cpu级别的
volatile关键字不具有原子性，不适合累加值。volatile适合状态验证，在修饰状态标记量时，要保证对：
- 变量的写操作不依赖于当前值
- 该变量没有包含在具有其他变量的式子中

有序性

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。

java提供了 volatile、synchronized、Lock可以用来保证有序性。另外，java内存模型具备一些先天的有序性，即不需要任何手段就能得到保证的有序性。通常被我们成为happens-before原则（先行发生原则）。如果两个线程的执行顺序无法从happens-before原则推导出来，那么就不能保证它们的有序性，虚拟机就可以对它们进行重排序。

并发之atomicInteger与CAS机制 - 枫飘雪落 - 博客园 (cnblogs.com)

深入理解CAS（乐观锁） - 简书 (jianshu.com)

深入剖析LongAdder是咋干活的 (juejin.cn)

从 LongAdder 中窥见并发组件的设计思路 | 犀利豆的博客 (xilidou.com)