码出高效：Java开发手册笔记（线程安全）

并发与并行的目标都是尽可能快地执行完所有任务。以医生坐诊为例，某个科室有两个专家同时出诊，这就是两个并行任务，其中一个医生，时而问诊，时而查看化验单，然后继续问诊，突然又中断去处理病人的咨询，这就是并发。在并发环境下，由于程序的封闭性全被打破，出现了以下特点：
 ( 1 ）并发程序之间有相互制约的关系。 直接制约体现为一个程序需要另一个程序的计算结果；间接制约体现为多个程序竞争共享资源，如处理器、缓冲区等。
 ( 2 ）并发程序的执行过程是断断续续的。 程序需要记忆现场指令及执行点。
 ( 3 ）当并发数设置合理并且 CPU 拥有足够的处理能力时，并发会提高程序的运行效率。

线程安全

线程可以拥有自己的操作栈、程序计数器、局部变量表等资源，它与同一进程内的其他线程共享该进程的所有资源。线程在生命周期内存在多种状态。如图 7-2 所示 ，有 NEW （新建状态）、 RUNNABLE （就绪状态）、 RUNNING （运行状态）、BLOCKED （阻塞状态）、 DEAD （终止状态）五种状态。

( 1 ) NEW ，即新建状态，是线程被创建且未启动的状态。 创建线程的方式有三种：第一种是继承自 Thread 类，第二种是实现 Runnable 接口，第三种是实现 Callable 接口。相比第一种，推荐第二种方式，因为继承自 Thread 类往往不符合里氏代换原则，
而实现 Runnable 接口可以使编程更加灵活，对外暴露的细节比较少，让使用者专注于实现线程的 run（）方法上。第三种Callable 接口的 call（） 声明如下：

@FunctionalInterfacepublicinterfaceCallable<V>{/**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */Vcall()throwsException;}

由此可知，Callable 与 Runnable 有两点不同：第一，可以通过 call（）获得返回值。前两种方式都有一个共同的缺陷，即在任务执行完成后 ，无法直接获取执行结果 ， 需要借助共享变量等获取 ，而 Callable 和 Future 则很好地解决了这个问题；第二，call（）可以抛出异常。而 Runnable 只有通过 setDefaultUncaughtExceptionHandler（）的方式才能在主线程中捕捉到子线程异常。

示例：
Car类实现Runnable接口

packagecom.example.demo.test;/**
 * @Author: Ron
 * @Create: 2023-04-21 14:38
 */publicclassCarimplementsRunnable{@Overridepublicvoidrun(){int i =1/0;System.out.println("Car");}}

Airplane实现Callable接口

packagecom.example.demo.test;importjava.util.concurrent.Callable;/**
 * @Author: Ron
 * @Create: 2023-04-28 14:18
 */publicclassAirplaneimplementsCallable{@OverridepublicObjectcall()throwsException{int i =1/0;System.out.println("Airplane");return i;}}

( 2 ) RUNNABLE ，即就绪状态 ，是调用start（）之后运行之前的状态。线程的start（）不能被多次调用，否则会抛出IllegalStateException 异常。
 ( 3 ) RUNNING ，即运行状态 ， 是 run（）正在执行时线程的状态。线程可能会由于某些因素而退出 RUNNING ，如时间、异常、锁、调度等。
 ( 4 ) BLOCKED ，即阻塞状态 ， 进入此状态 ， 有以下种情况。

• 同步阻塞：锁被其他线程占用。

• 主动阻塞：调用 Thread 的某些方法，主动让出 CPU 执行权 ，比如 sleep（）、join（）等。

• 等待阻塞：执行了 wait（）。

  ( 5 ) DEAD ，即终止状态，是 run（） 执行结束，或同异常退出后的状态 ， 此状态不可逆转。
  再用医生坐诊的例子说明 ， 医生并发地处理多个病人的询问、开化验单、查看化验结果、开药等工作，任何一个环节一旦出现数据混淆，都可能引发严重的医疗事故。延伸到计算机的线程处理过程中，因为各个线程轮流占用 CPU 的计算资源，可能会出现某个线程尚未执行完就不得不中断的情况，容易导致线程不安全。例如，在服务端某个高并发业务共享某用户数据，首先 A 线程执行用户数据的查询任务 ， 但数据尚未返回就退出 CPU 时间片；然后 B 线程抢占了 CPU 资源执行并覆盖了该用户数据 ，最后 A 线程返回到执行现场，直接将 B 线程处理过后的用户数据返回给前端，导致页面显示数据错误。为保证线程安全，在多个线程并发地竞争共享资源时，通常采用同步机制协调各个线程的执行，以确保得到正确的结果。

  线程安全问题只在多线程环境下才出现，单线程串行执行不存在此问题。保证高并发场景下的线程安全，可以从以下四个维度考量：
  ( 1 ）数据单线程内可见。单线程总是安全的。通过限制数据仅在单线程内可见，可以避免数据被其他线程篡改。最典型的就是线程局部变量，它存储在独立虚拟机栈帧的局部变量表中，与其他线程毫无瓜葛。 ThreadLocal 就是采用这种方式来实现线程安全的。
  ( 2 ）只读对象。只读对象总是安全的。它的特性是允许复制、拒绝写人。最典型的只读对象有 String 、 Integer 等。一个对象想要拒绝任何写人，必须要满足以下条件：使用 final 关键字修饰类，避免被继承；使用 private final 关键字避免属性被中途修改；没有任何更新方法；返回值不能可变对象为引用。
  ( 3 ）线程安全类。某些线程安全类的内部有非常明确的线程安全机制。比如StringBuffer 就是一个线程安全类，它采用synchronized 关键字来修饰相关方法。
  ( 4 ）同步与锁机制。如果想要对某个对象进行并发更新操作，但又不属于上述三类，需要开发工程师在代码中实现安全的同步机制。虽然这个机制支持的并发场景很有价值，但非常复杂且容易出现问题。
  线程安全的核心理念就是“要么只读，要么加锁”。合理利用好 JDK 提供的并发包，往往能化腐朽为神奇。 Java 并发包（ java.util.concurrent ，JUC ） 中大多数类注释都写有@author Doug Lea。如果说 Java 是一本史书，那么 Doug Lea 绝对是开疆拓土的伟大人物。 Doug Lea 在当大学老师时，专攻并发编程和并发数据结构设计，主导设计了JUC 并发包，提高了 Java 并发编程的易用性，大大推进了 Java 的商用进程。并发包主要分成以下几个类族：
  ( 1 ）线程同步类。这些类使线程间的协调更加容易，支持了更加丰富的线程协调场景，逐步淘汰了使用 Object 的 wait（）和 notify（）进行同步的方式。主要代表为CountDownLatch 、 Semaphore 、 CyclicBarrier 等。
  ( 2 ）并发集合类。集合并发操作的要求是执行速度快，提取数据准。最著名的类非 ConcurrentHashMap 莫属，它不断地优化，由刚开始的锁分段到后来的 CAS，不断地提升并发性能。其他还有 ConcurrentSkipListMap、 CopyOnWriteArrayList、

BlockingQueue 等。
( 3 ）线程管理类。虽然 Thread 和 ThreadLocal 在 JDK1.0 就已经引入，但是真正把 Thread 发扬光大的是线程池。根据实际场景的需要，提供了多种创建线程池的快捷方式，如使用 Executors 静态工厂或者使用 ThreadPoolExecutor 等。另外，通过
ScheduledExecutorService 来执行定时任务。
( 4 ）锁相关类。锁以 Lock 接口为核心，派生出在一些实际场景中进行互斥操作的锁相关类。最有名的是 ReentrantLock。锁的很多概念在弱化，是因为锁的实现在各种场景中已经通过类库封装进去了。
并发包中的类族有很多，差异比较微妙，开发工程师需要有很好的 Java 基础、逻辑思维能力，还需要有定的数据结构基础，才能够彻底分清各个类族的优点、缺点及差异点。
解决线程安全问题的能力是开发工程师进阶的重要能力之一。由于初创公司的业务流量通常比较小，再加上其初级程序员缺乏线程安全意识。所以，即使出现了由高并发导致的错误，往往也由于复现难度大、追踪困难而不了了之。但是在后期的系统重构中，这些公司一定会为以上线程安全隐患买单。