目录
一、Java内存模型
JMM的核心概念
二、什么是线程安全？
1、原子性
2、有序性
3、可见性
三、如何确保线程安全？
1、sychronized关键字
2、Lock接口和其实现
3、volatile关键字
4、Atomic原子类
5、ThreadLocal
6、不可变对象
7、并发集合类
8、并发工具类
9、Future和Callable
一、Java内存模型
在谈及线程安全前，需要了解内存模型一下
Java内存模型（Java Memory Model，JMM）是一种抽象的概念，JMM并不真实存在，它是一种规范，规定了在Java并发编程中如何处理多线程之间的内存交互，程序中变量在内存中的访问方式
JMM的核心概念
1、主内存与工作内存：
主内存：是所有线程共享的内存区域，所有变量都存储在主内存中，主内存是共享的
工作内存：每个线程都有自己的工作内存（局部变量存储区），线程对共享变量的所有操作都发生在工作内存中，然后同步回主内存
这种模型允许线程在本地缓存共享变量的副本，提高性能，但也带来了同步的复杂性
2、内存屏障
内存屏障(Memory Barrier)是JMM中用于控制内存访问顺序的指令。它确保指令序列中的内存读写操作按照特定的顺序执行，从而保证线程间的内存可见性和有序性
3、Happens-Before规则
Happens-Before是JMM中最核心的概念之一，它定义了一组偏序关系，用于判断两个操作之间的内存可见性和有序性，用于描述多线程程序中操作的执行顺序，确保了线程之间的正确通信和数据一致性
简而言之：如果在同一个线程中，操作A在操作B之前执行，那么我们说一个操作A happens-before 另一个操作B，那么A的执行结果对B是可见的，且A的执行顺序排在B之前，也就是先执行的操作的结果必须对后执行的操作可见
用一个例子来深入了解内存模型
🌰：线程A和线程B从主内存读取和修改x=1的过程
线程A和线程B要进行通信的话，必须要进行以下2个步骤：
-
初始化：x = 1，存储在主内存。
-
线程A读取：A从主内存读取x，复制值1到A的工作内存。
-
线程B读取：B从主内存读取x，复制值1到B的工作内存。
-
线程A修改：A在工作内存中修改x至2
-
线程A写回：A将工作内存中的x值2写回主内存。
-
线程B重新读取：B从主内存读取最新的x值2，保证了数据的可见性。
这个过程展示了JMM如何确保多线程环境下的数据一致性
二、什么是线程安全？
线程安全：在多线程环境下，多个线程可以安全地访问和操作共享数据，而不会引发数据不一致或程序错误的问题
JMM 解决并发程序中最关键的两个问题：线程间的可见性和指令重排序。
- 线程间的可见性：确保当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程可以立即看到这一改变。没有良好的可见性保证，一个线程对共享变量的修改可能对其他线程不可见，导致数据不一致。
- 指令重排序：为了提高性能，编译器和处理器常常会改变指令的执行顺序（只要这种改变不影响单线程内的程序逻辑）。然而，在多线程环境下，这种重排序可能导致严重问题
实际上，线程安全问题的具体表现体现在三个方面，原子性、有序性、可见性，JMM 通过以下几种方式来控制和协调上述现象：
1、原子性
原子性：一个操作要么全部完成，要么全部不完成，不会被中断
JMM保证了基本类型的读取和写入操作是原子的，即不可分割的。但是，复合操作（如i++）需要额外的同步机制（Automic类）才能保证原子性
例如：两个线程同时尝试修改同一个变量，原子性可以确保这个修改操作作为一个整体被执行，而不是被另一个线程业务
场景：银行取钱，你想要从账户中取出100元。在理想情况下，这个操作应该是“原子”的，也就是说，要么整个取款操作成功完成（你拿到了100元，账户余额减少了100元），要么操作完全不发生（你没拿到钱，账户余额不变）。中间不能出现任何状态，比如你只拿到了50元而账户扣除了100元，这会导致数据不一致
2、有序性
有序性：保证了指令的执行顺序不会导致数据依赖关系的破坏
JMM限制了编译器和处理器对指令的重排序，以避免破坏程序的语义。volatile、synchronized和final等关键字提供了内存屏障，强制执行特定的内存操作顺序，从而保证了线程之间的正确交互
例如：如果一个线程先读取变量A，然后读取变量B，有序性确保在另一个线程中，如果先修改了B，然后再修改A，那么第一个线程读取B时，不会看到A的更新值，因为它应该先读取A的旧
场景：排队买票，如果你前面的人买完票后，后面的人突然插队到你前面买了票，这就打破了正常的顺序
3、可见性
可见性：当一个线程修改了一个共享变量后，其他线程是否能够看到这个修改
JMM规定，当一个线程修改了共享变量的值，新值对其他线程来说是可见的。通常通过volatile关键字、synchronized代码块或方法、以及final字段来实现
场景：五子棋游戏，你在游戏中放置了黑棋，然后告诉朋友“我已经在某个位置下了黑棋”。为了游戏能够正常进行，你的朋友必须能看到你刚下的黑棋的位置，才能做出相应的策略
这三个概念对于多线程编程非常关键，它们确保了程序在并发执行时的正确性和一致性。通过使用锁、volatile关键字、原子变量等机制，程序员可以控制和管理多线程环境下的原子性、可见性和有序性，从而避免数据竞争、死锁等问题，使程序能够正确地运行
三、如何确保线程安全？
这里大概叙述一下，后续文章进行详细补充，具体可以采取以下几种策略：
1、sychronized关键字
确保同一时间只有一个线程可以访问资源。
public synchronized void method() {
// 访问和修改共享资源
}
2、Lock接口和其实现
使用java.util.concurrent.locks包中的ReentrantLock等类允许更细粒度的锁控制，如公平锁、非公平锁、读写锁等
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void method() {
lock.lock();
try {
// 访问和修改共享资源
} finally {
lock.unlock();
}
}
3、volatile关键字
用于变量，确保变量的读写操作具有可见性，即一个线程对变量的修改对其他线程立即可见。volatile不保证原子性，但对于简单的读写操作（如对基本类型的读写）
4、Atomic原子类
使用java.util.concurrent.atomic包中的原子变量类，如AtomicInteger、AtomicReference等，这些类通过底层的硬件支持实现高效的原子操作。
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void increment() {
count.incrementAndGet();
}
5、ThreadLocal
ThreadLocal变量为每个线程提供独立的副本，避免了线程间的共享和同步问题
6、不可变对象
设计不可变对象（immutable objects），即对象在创建后其状态不可更改，这样可以避免多线程访问时的同步问题。例如：String、Integer等包装类都是不可变的
public final class ImmutableClass {
private final int value;
public ImmutableClass(int value) {
this.value = value;
}
public int getValue() {
return value;
}
}
7、并发集合类
使用java.util.concurrent包中的线程安全集合类，如ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList等，这些类已经内建了线程安全机制。
ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.put("key", 1);
8、并发工具类
如CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等，提供了更复杂的线程同步手段
9、Future和Callable
可以用于异步执行任务，内部使用线程池和同步机制来保证线程安全
通过这些机制，Java可以在多线程环境中有效地管理资源访问，保持数据的一致性和正确性
其中
- Volatile 实现可见性、有序性
当一个线程修改了一个volatile变量的值，这个修改会立即被其他线程可见，无需等待主内存和工作内存之间的数据同步
- CAS 实现原子性
Java中的CAS（Compare and Swap，比较并交换）是一种无锁技术，当多个线程同时尝试对同一个共享变量执行CAS操作时，只有一个线程会比较成功并更新变量的值，其他线程则会因为比较失败而需要重新尝试，相对同步机制，性能会有一定的优化
- Lock 实现原子性、可见性、有序性
Java中接口定义了锁的操作接口，它的实现类，如ReentrantLock，内部持有一个AQS对象，AQS通过内部维护一个同步状态，以及一个FIFO队列来管理获取锁的线程。而这个管理线程的过程就会涉及到CAS和volatile的的操作
- Synchronized 实现原子性、可见性、有序性
同一时间只有一个线程可以执行synchronized的代码，意味着这个线程在执行时不会被干扰，其他线程也会按照预定的顺序执行同步代码，这样就实现了原子性和有序性。
而在该线程执行期间，它会直接在主内存中读取操作共享变量，当下个线程执行代码块时，也就会看到最新的数据，从而实现了可见性
