線程安全的機制

線程表示一條單獨的執行流，每個線程有自己的執行計數器，有自己的棧，但可以共享內存，共享內存是實現線程協作的基礎，但共享內存有兩個問題：競態條件和內存可見性。

synchronized

synchronized是一個關鍵字，既可以解決競態問題，也可以解決內存可見性問題

synchronized保護的是對象，而不是代碼，只有對同一個對象的synchronized方法調用，synchronized才能保證它們被順序調用。對於實例方法，這個對象是this；對於靜態方法，這個對象是類對象；對於代碼塊，需要指定哪個對象

synchronized不能嘗試獲取鎖，也不能響應中斷，還可能會死鎖。相比於顯式鎖，synchronized簡單易用，JVM也在不斷優化它的實現

顯式鎖

顯式鎖是相當於synchronized隱式鎖而言的，它可以實現synchronized同樣的功能，但需要程序自己創建鎖，調用鎖相關接口，主要接口是Lock，主要實現類是ReentrantLock。

相比synchronized，顯式鎖支持以非阻塞方式獲取鎖，可以響應中斷，可以限時，可以指定公平性，可以解決死鎖問題，所以更加的靈活。

在一些讀多寫少、讀操作可以完全並行的場景中，可以使用讀寫鎖以提高併發度，讀寫鎖的接口是ReadWriteLock，實現類是ReentrantReadWriteLock。

volatile

synchronized和顯式鎖都是鎖，使用鎖可以實現安全，但使用鎖是有成本的，獲取不到鎖的線程還需要等待，會有線程的上下文切換開銷等。
如果共享的對象只有一個，操作也只是進行最簡單的get/set操作，set也不依賴於之前的值，那就不存在競態條件問題，而只有內存可見性問題，這時，在變量的聲明上加上關鍵字volatile就可以了。

volatile和synchronized的區別：

volatile 僅能使用在變量級別； synchronized 則可以使用在實例方法、靜態方法和代碼塊。
volatile 僅能實現變量的修改可見性，並不能保證原子性；synchronized 則可以保證變量的修改可見性和原子性
volatile 不會造成線程的阻塞；synchronized 可能會造成線程的阻塞。
volatile 標記的變量不會被編譯器優化； synchronized 標記的變量可以被編譯器優化

原子變量和CAS

使用volatile，set的新值不能依賴於舊值，但很多時候，set的新值與原來的值有關，同時也不一定需要鎖，這個時候就可以考慮原子變量。它們包含了一些以原子方式實現組合操作的方法。

原子變量的基礎是CAS，一般的計算機系統都在硬件層次上直接支持CAS指令。相對於synchronized，它是樂觀的，而synchronized是悲觀的。

寫時複製

之所有會有線程安全的問題，是因爲多個線程併發讀寫同一個對象，如果每個線程讀寫的對象都是不同的，或者如果共享訪問的對象是隻讀的，不能修改，那就不存在線程安全問題了。

寫時複製就是將共享訪問的對象變爲只讀的，寫的時候再使用鎖，保證只有一個線程寫，寫的線程不是直接修改原對象，而是新創建一個對象，對該對象修改完畢後，再原子性地修改共享訪問的變量，讓它指向新的對象。

ThreadLocal

ThreadLocal讓每個線程對同一變量，都有自己的獨有副本。每個線程實際訪問的對象都是自己的，自然也就不存在線程安全問題。

線程的協作機制

常見的協作場景：生產者/消費者協作模式、主從協作模式、同時開始、集合點等

wait/notify

wait/notify與synchronized配合一起使用，是線程的基本協作機制。
每個對象都有一把鎖和兩個等待隊列，一個是鎖等待隊列，放的是等待獲取鎖的線程；另一個是條件等待隊列，放的是等待條件的線程。wait將自己加入條件等待隊列，notify從條件隊列上移除一個線程並喚醒，notifyAll移除所有線程並喚醒。

wait/notify方法只能在synchronized代碼塊內被調用，調用wait時，線程會釋放對象鎖，被notify/notifyAll喚醒後，需要重新競爭鎖，獲取到鎖後纔會從wait調用中返回。

顯式條件

顯式條件和顯式鎖配合使用，與wait/notify相比，可以支持多個條件隊列，代碼更爲易讀，效率更高。

線程中斷

線程中斷並不是強迫終止一個線程，它是一種協作機制，是給線程傳遞一個取消信號，但是由線程來決定如何以及何時退出，線程在不同狀態和IO操作時對中斷有不同的反應。

協作工具類

信號量Semaphore用於限制對資源的併發訪問數

倒計時門閂CountDownLatch主要用於不同角色線程間的同步，比如：同時開始多個線程；主線程等待多個從線程的結果

循環柵欄CyclicBarrier用於同一角色線程間的協調一致，所有線程在到達柵欄後都需要等待其他線程，等所有線程都到達後再一起通過，它是可以循環的。

阻塞隊列

阻塞隊列封裝了鎖和條件，常用於生產者/消費者協作模式，只需要調用隊列的入隊/出隊方法就可以了

無鎖非阻塞併發隊列：ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque
普通阻塞隊列：基於數組的ArrayBlockingQueue，基於鏈表的LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingDeque
優先級阻塞隊列：PriorityBlockingQueue
延時阻塞隊列：DelayQueue
其他阻塞隊列：SynchronousQueue和LinkedTransferQueue

Future/FutureTask

Future是一個接口，主要實現類是FutureTask。
Future封裝了調用線程和執行線程關於執行狀態和結果的同步，對於調用線程而言，它只需要通過Future就可以查詢異步任務的狀態、獲取最終結果、取消任務等。
在常見的主從協作模式中，主線程往往需要獲取子線程的結果，就可以使用Future

容器類

線程安全的容器有兩類：同步容器；併發容器

同步容器

Collections類中有一些靜態方法，可以基於普通容器返回線程安全的同步容器

public static <T> Collection<T> synchronizedCollection(Collection<T> c);
public static <T> List<T> synchronizedList(List<T> list);
public static <K,V> Map<K,V> synchronizedMap(Map<K,V> m)

它們是給所有容器方法都加上synchronized來實現安全的。
同步容器的性能比較低，這裏的線程安全針對的是容器對象，指的是當多個線程併發訪問同一個容器對象時，不需要額外的同步操作。

併發容器

寫時複製的List和Set

CopyOnWriteArrayList實現了List接口，它的用法與其他的List基本是一樣的。CopyOnWirteArrayList的內部也是一個數組，但這個數組是以原子方式被整體更新的。每次修改操作，都會新建一個數組，複製原數組的內容到新數組，在新數組上進行需要的修改，然後以原子方式設置內部的數組引用。
CopyOnWriteArraySet實現了Set接口，不包含重複的元素。內部是通過CopyOnWriteArrayList實現的

CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet適用於讀遠多於寫、集合不太大的場景。它們是以優化讀操作爲目標的，讀不需要同步，性能很高。

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是HashMap的併發版本，通過細粒度鎖和其他技術實現了高併發，讀操作完全並行，寫操作支持一定程度的並行，以原子方式支持一些複合操作，迭代不用加鎖。

基於跳錶的Map和Set

Java併發包中與TreeMap/TreeSet對應的併發版本是ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet。

TreeSet是基於TreeMap實現的，類似地，ConcurrentSkipListSet也是以及ConcurrentSkipListMap實現的。

ConcurrentSkipListMap是基於SkipList實現的，SkipList稱爲跳躍表或跳錶，是一種數據結構。

併發隊列

無鎖非阻塞併發隊列：ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque
普通阻塞隊列：基於數組的ArrayBlockingQueue，基於鏈表的LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingDeque
優先級阻塞隊列：PriorityBlockingQueue
延時阻塞隊列：DelayQueue
其他阻塞隊列：SynchronousQueue和LinkedTransferQueue

無鎖非阻塞是指，這些隊列不實用鎖，所有操作總是立即執行，主要通過循環CAS實現併發安全；
阻塞隊列是指，這些隊列使用鎖和條件，很多操作都需要先獲取鎖或滿足特點條件，獲取不到鎖或等待條件時，會等待（阻塞），直到獲取到鎖或條件滿足

【Java編程的思想】併發總結