多個線程對同一個共享變量進(jìn)行讀寫操作時可能產(chǎn)生不可預(yù)見的結(jié)果，這就是線程安全問題。
線程安全的核心點就是共享變量，只有在共享變量的情況下才會有線程安全問題。這里說的共享變量，是指多個線程都能訪問的變量，一般包括成員變量和靜態(tài)變量，方法內(nèi)定義的局部變量不屬于共享變量的范圍。
線程安全問題示例：
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
/**
* @Author FengJian
* @Date 2021/1/27 10:59
* @Version 1.0
*/
@Slf4j(topic = "c.ThreadSafeTest")
public class ThreadSafeTest {
static int count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread("t1"){
@Override
public void run() {
for (int i = 0;i < 5000;i++){
count++;
}
}
};
Thread t2 = new Thread("t2"){
@Override
public void run() {
for (int i = 0;i < 5000;i++){
count--;
}
}
};
t1.start();
t2.start();
/**
* join方法：使main線程與t1、t2線程同步執(zhí)行,即t1、t2線程都執(zhí)行完，main線程才會繼續(xù)執(zhí)行（但t1、t2之間依然是并行執(zhí)行的）
* 主要是為了等待兩個線程執(zhí)行完后，在main線程打印count的值
*/
t1.join();
t2.join();
log.debug("count的值為：{}",count);
}
}
運行上述代碼三次的結(jié)果如下：
[main] DEBUG c.ThreadSafeTest - count的值為：-904
[main] DEBUG c.ThreadSafeTest - count的值為：-2206
[main] DEBUG c.ThreadSafeTest - count的值為：73
在上述代碼中，線程t1中count進(jìn)行5000次自增操作，而線程t2中count則進(jìn)行5000次自減操作。在兩個線程都運行結(jié)束后，按照預(yù)期結(jié)果，count的值應(yīng)為0。但由打印結(jié)果可知，count的值并不為0，且每次運行的結(jié)果都不一樣。這就是多線程對共享變量進(jìn)行操作出現(xiàn)的不可預(yù)見的結(jié)果，即常說的線程安全問題。
而線程安全，則指的是在多線程環(huán)境下，程序可以始終執(zhí)行正確的行為，符合預(yù)期的邏輯。具體到上述代碼，就是不論執(zhí)行多少次，在t1、t2線程執(zhí)行完畢后，count的值都應(yīng)該始終符合預(yù)期的結(jié)果0。上述代碼明顯是線程不安全的。
線程安全是使用多線程必定會面臨的問題，導(dǎo)致線程不安全的主要原因有以下三點：
①原子性：一個或者多個操作在 CPU 執(zhí)行的過程中被中斷
②可見性：一個線程對共享變量的修改，另外一個線程不能立刻看到
③有序性：序執(zhí)行的順序沒有按照代碼的先后順序執(zhí)行
原子性問題，其實說的是原子性操作。即一個或多個操作，應(yīng)該是一個不可分的整體，這些操作要么全部執(zhí)行并且不被打斷，要么就都不執(zhí)行。
以上述代碼中的count的自增（count++）和自減（count--）為例。
count++和count--看似只有一行代碼，但實際上這一行代碼在編譯后的字節(jié)碼指令以及在JVM執(zhí)行的對應(yīng)操作如下：
count++：
getstatic count //獲取靜態(tài)變量count的值
iconst_1 //準(zhǔn)備常量1
iadd //自增
putstatic count //將修改后的值存入靜態(tài)變量count
count--：
getstatic count //獲取靜態(tài)變量count的值
iconst_1 //準(zhǔn)備常量1
isub //自減
putstatic count //將修改后的值存入靜態(tài)變量count
由此可知，count自增或自減的操作，并不是一個原子操作，即中間過程是有可能被打斷的。
count自增自減操作需要四個步驟（指令）才能完成，這意味著如果這執(zhí)行這四個步驟的某一步時，線程發(fā)生了上下文切換，那么自增自減操作將被打斷暫停。
如果使用單線程來執(zhí)行自增自減操作，這實際上并無問題：
上圖為單線程執(zhí)行count自增自減的一次過程，可以看出在沒有線程上下文切換的情況下，即使自增自減不是原子操作，count的最后結(jié)果都會是0。
但在多線程環(huán)境下，就會出現(xiàn)問題了：
這結(jié)果明顯是不符合我們的預(yù)期的，實際上，上述圖片展示的只是一種可能的結(jié)果。還有可能是t2寫入count的步驟是最后執(zhí)行的，那么最后count的值將為-1。
這就是由于非原子操作帶來的多線程訪問共享變量出現(xiàn)不符合預(yù)期的結(jié)果，即由于原子性帶來的線程安全問題。
上面示例中兩個線程t1、t2分別執(zhí)行count++和count--出現(xiàn)的問題，就是由于原子性帶來的線程安全問題。
解決辦法就是將count++和count--的操作變?yōu)樵硬僮?，Java中的實現(xiàn)方法是：
①上鎖：使用synchronized
只需要創(chuàng)建一個對象作為鎖，并在訪問count時用synchronized進(jìn)行加鎖即可。
static int count = 0;
static Object lock = new Object(); //鎖對象
synchronized(lock){
count++;
}
synchronized(lock){
count--;
}
上鎖后，執(zhí)行自增自減的示意圖如下：
因此使用synchronized鎖可以解決原子性帶來的線程安全問題。
②、循環(huán)CAS操作
其基本思路就是循環(huán)進(jìn)行CAS操作（compare and swap，比較并交換）。即對共享變量進(jìn)行計算前，線程會先將該共享變量保存一份舊值a，計算完畢后得出結(jié)果值b。在將b從線程的本地內(nèi)存刷新回主內(nèi)存前，會先比較主內(nèi)存中的值是否和a一致。如果一致，則將b刷新回主內(nèi)存。若不一致，則一直循環(huán)比較，直到主內(nèi)存中的值與a一致，才把共享變量的值設(shè)為b，操作才結(jié)束。
在Java中，使用CAS操作保證原子性的具體實現(xiàn)就是Lock和原子類（AtomicInteger）。它們都是通過使用unsafe的compareAndSwap方法實現(xiàn)CAS操作保證原子性的。
Lock的使用：
static int count = 0;
static Lock lock = new Lock (); //鎖對象
lock.lock(); //加鎖
count++;
lock.unlock(); //解鎖
lock.lock(); //加鎖
count--;
lock.unlock(); //解鎖
原子類的使用：
static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
count.incrementAndGet(); //自增
count.decrementAndGet(); //自減
以上都是Java中可以保證原子操作的具體方法，它們各有優(yōu)缺點，要看具體的場景來選擇最佳的使用，以此來解決原子性帶來的線程安全問題。
可見性實際上指的是內(nèi)存可見性問題?？偟膩碚f就是一個線程對共享變量的修改，另外一個線程不能立刻看到，從而產(chǎn)生的線程安全問題。
在上一篇筆記【JAVA并發(fā)第三篇】線程間通信 中的通過共享內(nèi)存進(jìn)行通信實際上講的就是內(nèi)存可見性問題。這里再從線程安全的角度講述一遍。
我們知道，CPU要從內(nèi)存中讀取出數(shù)據(jù)來進(jìn)行計算，但實際上CPU并不總是直接從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。由于CPU和內(nèi)存間（常稱之為主存）的速度不匹配（CPU的速度比主存快得多），為了有效利用CPU，使用多級cache的機(jī)制，如圖
因此，CPU讀取數(shù)據(jù)的順序是：寄存器-高速緩存-主存。主存中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，會先拷貝一份放到cache中，當(dāng)CPU計算時，會直接從cache中讀取數(shù)據(jù)，計算完畢后再將計算結(jié)果放置到cache中，最后在主存中刷新計算結(jié)果。所以每個CPU都會擁有一份拷貝。
以上只是CPU訪問內(nèi)存，進(jìn)行計算的基本方式。實際上，不同的硬件，訪問過程會存在不同程度的差異。比如，不同的計算機(jī)，CPU和主存間可能會存在三級緩存、四級緩存、五級緩存等等的情況。
為了屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，實現(xiàn)讓 Java 程序在各種平臺下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果，定義了Java的內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM）。
JMM 的主要目標(biāo)是定義程序中各個變量的訪問規(guī)則，即在虛擬機(jī)中將變量存儲到主存和從主存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)。這里的變量指的是能夠被多個線程共享的變量，它包括了實例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對象的元素，方法內(nèi)的局部變量和方法的參數(shù)為線程私有，不受JMM的影響。
Java的內(nèi)存模型如下：
JMM規(guī)定：將所有共享變量放到主內(nèi)存中，當(dāng)線程使用變量時，會把其中的變量復(fù)制到自己的本地內(nèi)存，線程讀寫時操作的是本地內(nèi)存中的變量副本。一個線程不能訪問其他線程的本地內(nèi)存。
這樣的情況下，如果有一個變量i在線程A、B的本地內(nèi)存中都有一份副本。此時，若線程A想修改i的值，在線程A將修改后的值放入到本地內(nèi)存，但又未刷新回主內(nèi)存時，如果線程B讀取變量i的值，則讀到的是未修改時的值，這就造成了讀寫共享變量出現(xiàn)不可預(yù)期的結(jié)果，產(chǎn)生線程安全問題。
有代碼如下：
/**
* @Author FengJian
* @Date 2021/2/21 23:47
* @Version 1.0
*/
@Slf4j(topic = "c.ThreadSafeTest")
public class ThreadSafe02 {
private static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread My_Thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (run) {
}
}
}, "My_Thread");
My_Thread.start(); //啟動My_Thread線程
log.debug(Thread.currentThread().getName()+"正在休眠@"+new SimpleDateFormat("hh:mm:ss").format(new Date())+"--"+run);
Thread.sleep(1000); //主線程休眠1s
run = false; //改變My_Thread線程運行條件
log.debug(Thread.currentThread().getName()+"正在運行@"+new SimpleDateFormat("hh:mm:ss").format(new Date())+"--"+run);
}
}
從運行結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使在主線程中修改了共享變量run的值，My_Thread線程依然在循環(huán)并不會停止：
解決辦法就是保證共享變量的可見性，具體實現(xiàn)就是任何對共享變量的訪問都要從共享內(nèi)存（主內(nèi)存）中獲取。在Java中的實現(xiàn)方法是：
①加鎖，synchronized和Lock都可以保證
線程在加鎖時，會清空本地內(nèi)存中共享變量的值，共享變量的使用需要從主內(nèi)存中重新獲取。而在釋放鎖資源時，則必須先把此共享變量同步回主內(nèi)存中。
由于鎖的存在，未持有鎖的線程并不能操作共享變量，而當(dāng)阻塞的線程獲得鎖時，主內(nèi)存中共享變量的值已經(jīng)刷新過了，因此線程修改共享變量對其他線程是可見的。這保證了共享變量的可見性，可以解決內(nèi)存可見性產(chǎn)生的線程安全問題。
②使用volatile修飾共享變量
當(dāng)一個變量被聲明為volitale時，線程在寫入變量時，不會把值緩存本地內(nèi)存，而是會立即把值刷新回主存，而當(dāng)要讀取該共享變量時，線程則會先清空本地內(nèi)存中的副本值，從主存中重新獲取。這些也都保證了內(nèi)存的可見性。
優(yōu)先使用volatile關(guān)鍵字來解決可見性問題，加鎖消耗的資源更多。
有序性，實際上是指令的重排序問題。
我們知道，CPU的執(zhí)行速度是比內(nèi)存要快出很多個數(shù)量級的。CPU為了執(zhí)行效率，會把CPU指令進(jìn)行重新排序。即我們編寫的Java代碼并不一定按照順序一行一行的往下執(zhí)行，處理器會根據(jù)需要重新排序這些指令，稱為指令并行重排序。
同時，JIT編譯器也會在代碼編譯的時候?qū)Υa進(jìn)行重新整理，最大限度的去優(yōu)化代碼的執(zhí)行效率，稱為編譯器的重排序。
而又由于處理器與主存之間會使用緩存和讀/寫緩沖機(jī)制，因此從主存加載和存儲操作也有可能是經(jīng)過指令重排序的，稱為內(nèi)存系統(tǒng)重排序。
綜上所述，在執(zhí)行程序時，為了提高性能，編譯器和處理器常常會對指令進(jìn)行重排序，再加上主內(nèi)存和處理器的緩存，Java源碼經(jīng)過層層的重排序，最后才得出最終結(jié)果。
由圖可知，從Java源碼到最后的執(zhí)行指令，會經(jīng)歷3種重排序的優(yōu)化。若有ava代碼如下：
int a = 2; //A
int b = 3; //B
int c = a*b; //C
經(jīng)過上述3種重排序后，語句A和語句B的執(zhí)行順序是可能互換的，并且這種互換并不影響代碼的正確性。但是我們發(fā)現(xiàn)語句C則不能和A、B互換，否則得出的結(jié)果將不正確，因為他們之間存在著數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，即語句C的數(shù)據(jù)依賴A和B得出。
由此，我們可以發(fā)現(xiàn)，以上3種指令的重排序并不能隨意排序，他們需要遵守一定的規(guī)則，以保證程序的正確性。
①as-if-serial語義
as-if-serial語義是指：不管怎么樣重排序，單線程程序的執(zhí)行結(jié)果都不能被改變。即不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作進(jìn)行重排序。
編譯器、處理器進(jìn)行指令重排序優(yōu)化時都必須遵守as-if-serial語義。即在單線程的情況下，指令重排序只能對不影響處理結(jié)果的部分進(jìn)行重排序。
以上述語句A、B、C為例，存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的語句C和A或B不能被重排序：
as-if-serial語義的核心思想是：不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作進(jìn)行重排序。
那么數(shù)據(jù)依賴類型有哪些呢？如下表所示：
| 類型 | 示例 | 說明 |
|---|---|---|
| 寫后讀 | a = 1; b = a | 寫一個變量后再讀該變量 |
| 寫后寫 | a = 1; a = 2 | 寫一個變量后再寫該變量 |
| 讀后寫 | a = b; b = 2 | 讀一個變量后再寫該變量 |
以上三種依賴關(guān)系，一旦重排序兩個操作的執(zhí)行順序，其結(jié)果就會改變，所以依照as-if-serial語義，Java在單線程的情況下不會對這三種依賴關(guān)系進(jìn)行重排序（多線程情況不符合此情況）。
as-if-serial語義是基于數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的，但它無法保證多線程環(huán)境下，重排序之后程序執(zhí)行結(jié)果的正確性。
有代碼如下：
/**
* @Author FengJian
* @Date 2021/2/24 16:44
* @Version 1.0
*/
@Slf4j(topic = "c.HappensBeforeTest")
public class HappensBeforeTest {
static int a = 0;
static boolean finish = false;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread("t1"){
@Override
public void run() {
if(finish){
log.debug("a*a："+a*a);
}
}
};
Thread t2 = new Thread("t2"){
@Override
public void run() {
a = 2;
finish = true;
}
};
t2.start();
t1.start();
}
}
關(guān)于上述代碼，我們先忽略內(nèi)存可見性的問題（即線程t2修改了a和finish，但t1可能看不到的緩存問題）。在此前提下如果成功打印a*a的值，那么結(jié)果應(yīng)該為4。
但實際上a*a打印的結(jié)果還可能為0，這是由于指令重排序的存在導(dǎo)致的。
在線程t2中，由于a = 2;和finish = true;沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，依照as-if-serial語義，可以對這兩條語句進(jìn)行重排序，因此會出現(xiàn)finish = true;的指令比a = 2;先執(zhí)行的情況。
如果在先執(zhí)行finish = true;，而a = 2;沒有執(zhí)行時發(fā)生線程上下文切換，輪到線程t1執(zhí)行，那么t1線程中的if語句條件為真，而a的值依然為初始值0，則a*a的結(jié)果為0。
可以看出，即使在假設(shè)沒有內(nèi)存可見性問題的前提下，上述代碼的結(jié)果也是不可預(yù)期的，因此上述代碼也是線程不安全的，其原因就是重排序破壞了多線程程序的語義。
②happens-before規(guī)則
既然是重排序出現(xiàn)問題，那么解決思路就是禁止重排序。但是也要注意不能全部禁用重排序，重排序的目的是為了提升執(zhí)行效率，如果全部禁用那么Java程序的性能將會很差。所以，應(yīng)該做到的是部分禁用，Java的內(nèi)存模型提供了一個可用于多線程環(huán)境，也適用于單線程環(huán)境的規(guī)則：happens-before規(guī)則。
happens-before規(guī)則的定義如下：A happens-before B，那么操作A的執(zhí)行結(jié)果對操作B是可見的，且操作A的執(zhí)行順序排在操作B之前。這里的操作A和操作B可以在同一個線程中，也可以在不同線程中。
注意：執(zhí)行順序只是happens-before向開發(fā)人員做的保證，實際上在處理器和編譯器上執(zhí)行時并不一定按照操作A排在操作B之前執(zhí)行。
如果重排序之后，依然可以保證與先A后B的執(zhí)行結(jié)果一樣，那么進(jìn)行重排序也是可以的。也就是說，符合happens-before的操作，只要不改變執(zhí)行結(jié)果，處理器和編譯器怎么優(yōu)化（重排序）都行。
只是我們開發(fā)人員可以直接認(rèn)為操作A的執(zhí)行順序排在操作B之前。
happens-before保證操作A的執(zhí)行結(jié)果對B可見，依靠這個原則，可以解決多線程環(huán)境下內(nèi)存可見性和有序性問題。
回到代碼：
/**線程t1**/
if(finish){
a*a;
}
/**線程t2**/
a = 2;
finish = true;
一共有四個操作a = 2;、finish = true;、if(finish)、a*a;，想要上述代碼達(dá)到線程安全（即打印都正確輸出4），只需要：
a*a;和if(finish);之前，需要知道t1線程中a = 2;和finish = true;(t2線程對t1線程的結(jié)果可見)。
要達(dá)到這一目的，就需要上圖中，①和②所示的happens-before關(guān)系。
那要如何達(dá)到呢？這就需要了解happens-before的六大具體規(guī)則了（兩個操作，只需要符合其中任何一條就可以認(rèn)為是happens-before關(guān)系）：
以上述代碼為例：
/**線程t2**/
a = 2; //操作1
finish = true; //操作2
/**線程t1**/
if(finish ); //操作3
a*a; //操作4
操作1 happens-before 操作2
操作3 happens-before 操作4
synchronized (lock) { //加鎖
// x是共享變量,初始值=10
if (x < 12) {
x = 12;
}
} //解鎖
若有兩個線程A、B，先后執(zhí)行這段代碼。則線程A執(zhí)行完畢后X = 12并釋放鎖。而線程B獲得鎖后，進(jìn)入代碼塊，在if中取X值判斷是否小于12。
此時 線程A中X=12的操作 happens-before 線程B中取X值判斷的操作（即線程B能看到線程A中執(zhí)行的X=12的結(jié)果）
volatile int x = 10;
/**線程t1**/
x = 11; //操作1
/**線程t2**/
int y = x; //操作2
操作1 happens-before 操作2
④傳遞性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
⑤start()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.start()（啟動線程B），那么A線程的ThreadB.start()操作happens-before于線程B中的任意操作。
⑥join()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。
以上就是happens-before的六大常用規(guī)則（全部有八種，但后面兩種應(yīng)該很少用到）
解決有序性問題，實際上就是要運用以上提到的兩種規(guī)則，as-if-serial語義解決了單線程程序的有序性問題，而happens-before關(guān)系則能解決多線程程序的有序性問題。
再回顧一下原始代碼，這是一段存在有序性問題線程不安全的代碼，我們要利用happens-before關(guān)系解決有序性問題：
public class HappensBeforeTest {
static int a = 0;
static boolean finish = false;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread("t1"){
@Override
public void run() {
if(finish){
log.debug("a*a："+a*a);
}
}
};
Thread t2 = new Thread("t2"){
@Override
public void run() {
a = 2;
finish = true;
}
};
t2.start();
t1.start();
}
}
提取一下關(guān)鍵的操作，如下嗷：
/**線程t1**/
if(finish){
a*a;
}
/**線程t2**/
a = 2;
finish = true;
我們的目標(biāo)是運用happens-before的六大常用規(guī)則達(dá)到如下圖的happens-before關(guān)系，以實現(xiàn)上訴代碼的線程安全
使用到happens-before規(guī)則中的程序順序規(guī)則、volatile變量規(guī)則和傳遞性。
首先，按照程序順序規(guī)則，可以知道如下的happens-before關(guān)系：
| 線程t1 | 線程t2 |
|---|---|
| if(finish) happens-before a*a; | a = 2; happens-before finish = true; |
這由線程中的代碼很容易就能得出。接下來運用volatile變量規(guī)則，需要用volatile修飾一個變量，我們選變量finish。即初始化時代碼改為為volatile static boolean finish = false;。
那么根據(jù)volatile變量規(guī)則，可知對finish的寫要happens-before于對finish的讀。
因此給finish加上volatile關(guān)鍵字后，就可以達(dá)到如下效果：
也就是說，volatile關(guān)鍵字不僅可以解決可見性問題，還可以解決有序性問題。
最后，通過傳遞性?？芍?/p>
可知，圖示的三和五，就是我們的目標(biāo)。到此，我們利用happens-before關(guān)系保證了代碼的可見性和有序性問題。
雖然分析的過程比較長，但是在原代碼中，我們實際上只改動了一行代碼。即將static boolean finish = false;改為volatile static boolean finish = false;而已，就可以使我們的代碼改變線程安全的。
這就是運用volatile修飾變量來解決線程安全的辦法。volatile直接通過禁止相關(guān)的重排序來達(dá)到有序性的目的。
②、方法二：加鎖，synchronized
這個應(yīng)該比較容易理解，對相關(guān)代碼加鎖后，同一時刻就只有一個線程在執(zhí)行，也就相當(dāng)于對相關(guān)變量的操作，是保證有序的。
不過synchronized并不像volatile一樣禁止指令重排序，實際上synchronized塊內(nèi)部的代碼指令依然是可以進(jìn)行重排序優(yōu)化的。
由于能力有限，可能存在錯誤，感謝并懇請老鐵們指出。以上內(nèi)容為本人在學(xué)習(xí)過程中所做的筆記。參考的書籍、文章或博客如下：
[1]方騰飛,魏鵬,程曉明. Java并發(fā)編程的藝術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.
[2]霍陸續(xù),薛賓田. Java并發(fā)編程之美[M].電子工業(yè)出版社.
[3]mg驛站. 多線程篇-線程安全-原子性、可見性、有序性解析.知乎.https://zhuanlan.zhihu.com/p/142929863
[4]JAVA bx.Java并發(fā)的原子性、可見性、有序性.知乎.https://zhuanlan.zhihu.com/p/205335197
[5]程序員七哥.happens-before是什么？JMM最最核心的概念，看完你就懂了.知乎.https://zhuanlan.zhihu.com/p/126275344
