并发基础知识 — 线程安全性

前段时间看完了《并发编程的艺术》，总感觉自己对于并发缺少一些整体的认识。今天借助《Java并发编程实践》，从一些基本概念开始，重新整理一下自己学过并发编程。从并发基础开始，深入进去，系统学习一下并发编程。

编写线程安全的代码，核心在于要对状态访问操作进行管理，特别是对共享的（Shared）和可变的（Mutable）状态的访问。对象的状态是指存储在状态变量（实例或静态域）中的数据。对象的状态还可能包括其他依赖对象的域。（Map.Entry）

一个对象是否需要时线程安全的，取决于该对象是否被多线程访问。这指的是程序中访问对象的方式，而不是对象要实现的功能。要使得对象是线程安全的，要采用同步机制来协同对对象可变状态的访问。Java常用的同步机制是Synchronized，还包括 volatile类型的变量，显示锁以及原子变量。

线程安全的程序是否完全由线程安全的类构成？答案是否定的，完全由线程安全的类构成的程序并不一定是线程安全的，线程安全类中也可以包含非线程安全的类。只有当类中仅包含自己的状态时，线程安全类才有意义！

概念

什么是线程安全性？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线程将如何交替执行，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，那么这个类就是线程安全的。

正确性：某个类的行为与其规范相一致。（我理解的规范就是我们在编写类时，能预知的状态结果）

原子性

竞态条件（Race Condition）：某个计算的正确性取决于多个线程的交替执行的时序。（线程的时序不同，产生的结果可能会不同）

“先检查后执行”，即通过一个可能失效的观测结果来决定下一步的操作。

首先观察到某个条件为真，然后开始执行相关的程序，但是在多线程的运行环境中，条件判断的结果以及开始执行程序中间，观察结果可能变得无效（另外一个线程在此期间执行了相关的动作），从而导致无效。常见的就是（Lazy Singleton）

 1 /**
 2  * describe: 懒汉式单例模式
 3  *     优点：只有在需要使用LazySingleton1对象时，才真正生成一个LazySingleton1对象
 4  *     缺点：会因为某些Java 平台内存模型允许无序写入，使得getInstance方法可能返回
 5  *           一个尚未执行构造函数的对象
 6  * Created by tianc on 2017/4/15.
 7  */
 8 public class LazySingleton {
 9     private static LazySingleton lazyInstance = null;
10     private LazySingleton() {
11     }
12     public static LazySingleton getInstance(){
13         if(lazyInstance == null){
14             synchronized (LazySingleton.class){
15                 if(lazyInstance == null){
16                     lazyInstance = new LazySingleton();
17                 }
18             }
19         }
20         return lazyInstance;
21     }
22 }

“读取-修改-写入”，基于对象之前的状态来定义对象状态的转换。即使是volatile修饰的变量，在多线程的环境里面进行自增操作，同样会发生竞态条件，所以volatile不能保证绝对的线程安全（360面试问题）。

引用书中定义：假定有两个操作A和B，如果从执行A的线程来看，当另一个线程执行B时，要么将B完全执行完，要么完全不执行B，那么A和B对彼此来说是原子的。原子操作是指：对于访问同一个状态的所有操作（包括该操作本身）来说，这个操作是一个以原子方式执行的操作。

加锁机制

在线程安全的定义中，多个线程间的操作无论采用何种执行时序或交替方式，都要保证不变性条件不被破坏。当不变性条件中涉及多个变量时，各个变量之间并不是互相独立的，一个变量发生变化会对其他变量的值产生约束。因此，一个变量发生改变，在同一个原子操作里面，其他相关变量也要更新。

1. 内置锁：同步代码块（Synchronized Block）包括两部分：a) 作为锁的对象引用，b)由这个锁保护的代码块。关键字Synchronized修饰方法就是一种同步代码块，锁就是方法调用所在的对象，静态的Synchronized方法以Class对象作为锁。内置锁或监视锁就是以对象作为实现同步的锁。Java内置锁，进入的唯一途径是执行进入由锁保护的同步代码块或方法。它相当于一种互斥锁。

2. 重入锁：当一个持有锁的线程再次请求进入自己持有的锁时，该请求会成功。"重入"意味着获取锁的操作的粒度是“线程”，而不是“调用”。重入的一种实现方式，为每个锁关联一个计数器和线程持有者。

用锁来保护状态

由于锁能使其保护的代码路径以串行形式访问，因此可以通过锁来构造一些协议以实现对共享状态的独占访问。

对象的内置锁与其状态之间没有内在的联系，虽然大多数类都将内置锁用做一种有效的加锁机制，但对象的域并不一定要通过内置锁来保护。

对于每个包含多个变量的不变性条件，其中涉及的所有变量都要使用同一个锁来保护/同步。