1. 互斥同步

synchronized 和 ReentrantLock。

2. 非阻塞同步

互斥同步最主要的问题就是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。

互斥同步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，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（这里讨论的是概念模型，实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加锁） 、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唤醒等操作。

2.1 CAS

随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略：先进行操作，如果没有其它线程争用共享数据，那操作就成功了，否则采取补偿措施（不断地重试，直到成功为止） 。

这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此这种同步操作称为非阻塞同步。

乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，这里就不能再使用互斥同步来保证了，只能靠硬件来完成。硬件支持的原子性操作最典型的是：比较并交换（Compare-and-Swap，CAS）。

CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。

2.2 AtomicInteger

J.U.C 包里面的整数原子类 AtomicInteger，其中的 compareAndSet() 和getAndIncrement() 等方法都使用了 Unsafe 类的 CAS 操作。

以下代码使用了 AtomicInteger 执行了自增的操作。

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

以下代码是 incrementAndGet() 的源码，它调用了 unsafe 的 getAndAddInt() 。

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

以下代码是 getAndAddInt() 源码，var1 指示对象内存地址，var2 指示该字段相对对象内存地址的偏移，var4 指示操作需要加的数值，这里为 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; }

通过getIntVolatile(var1, var2) 得到旧的预期值，通过调用 compareAndSwapInt() 来进行 CAS 比较，如果该字段内存地址中的值等于 var5，那么就更新内存地址为var1+var2 的变量为 var5+var4。

可以看到 getAndAddInt() 在一个循环中进行，发生冲突的做法是不断的进行重试。

3. 无同步方案

要保证线程安全，并不是一定就要进行同步。

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。

3.1 栈封闭

多个线程访问同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在虚拟机栈中，属于线程私有的。

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(); }

运行结果：

3.2 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：

• 大部分使用消费队列的架构模式（如“生产者-消费者”模式） 都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完。
• 其中最重要的一个应用实例就是经典 Web 交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”（Thread-perRequest） 的处理方式，这种理方式的广泛应用使得很多 Web 服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。

可以使用 java.lang.ThreadLocal 类来实现线程本地存储功能。

对于以下代码，thread1 中设置 threadLocal 为 1，而 thread2 设置 threadLocal 为2。过了一段时间之后，thread1 读取 threadLocal 依然是 1，不受 thread2 的影响。

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();} }

运行结果：

为了理解 ThreadLocal，先看以下代码：

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();} }

它所对应的底层结构图为：

每个 Thread 都有一个 ThreadLocal.ThreadLocalMap 对象，Thread 类中就定义了ThreadLocal.ThreadLocalMap 成员。

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

当调用一个 ThreadLocal 的 set(T value) 方法时，先得到当前线程的ThreadLocalMap 对象，然后将 ThreadLocal->value 键值对插入到该 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() 方法类似。

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 从理论上讲并不是用来解决多线程并发问题的，因为根本不存在多线程竞争。

在一些场景 (尤其是使用线程池) 下，由于 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的底层数据结构导致 ThreadLocal 有内存泄漏的情况，应该尽可能在每次使用 ThreadLocal后手动调用 remove()，以避免出现 ThreadLocal 经典的内存泄漏甚至是造成自身业务混乱的风险。

3.3 可重入代码（Reentrant Code）

这种代码也叫做纯代码（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（包括递归调用它本身） ，而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。

可重入代码有一些共同的特征，例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。

 

总结

以上是生活随笔为你收集整理的线程安全的实现方法的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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