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我们在前几期的文章中给大家简单介绍了程序员在学习Java编程语言的时候需要注意Java线程安全方面的问题，今天我们就再来学习一下，Java线程安全的实现方法都有哪些。

①互斥同步

互斥同步(MutexExclusion&Synchronization)是一种常见的并发正确性保障手段。

同步：多个线程并发访问共享数据，保证共享数据同一时刻只被一个(或者一些，使用信号量)线程使用。

互斥：互斥是实现同步的一种手段，主要的互斥实现方式：临界区(CriticalSection)、互斥量(Mutex)、信号量(Semaphore)。

同步与互斥的关系：

互斥是原因，同步是结果。

同步是目的，互斥是方法。

Java中，基本的实现互斥同步的手段是synchronized关键字，其次是JUC包中的ReentrantLock。

关于synchronized关键字：

编译后的同步块，开始处会添加monitorenter指令，结束处或异常处会添加monitorexit指令。

monitorenter和monitorexit指令中都包含一个引用类型的参数，分别指向加锁或解锁的对象。如果是同步代码块，则为synchronized括号中明确指定的对象;如果为普通方法，则为当前实例对象;如果为静态方法，则为类对应的class对象。

JVM执行monitorenter指令时，要先尝试获取锁：如果对象没被锁定或者当前线程已经拥有该对象的锁，则锁计数器加1;否则获取锁失败，进入阻塞状态，等待持有锁的线程释放锁。

JVM执行monitorexit指令时，锁计数器减1，直到计数器的值为0，锁被释放。(synchronized是支持重进入的)

由于阻塞或者唤醒线程都需要从用户态(UserMode)切换到核心态(KernelMode)，有时锁只会被持有很短的时间，没有必要进行状态转换。可以让线程在阻塞之前先自旋等待一段时间，超时未获取到锁才进入阻塞状态，这样可以避免频繁的切入到核心态。其实，就是后面自旋锁的思想。

关于ReentrantLock：

与synchronized关键字相比，它是API层面的互斥锁(lock()、unlock()、try...finally)。

与synchronized关键字相比，具有可中断、支持公平与非公平性、可绑定多个Condition对象的高级功能。

由于synchronized关键字被优化，二者的性能差异并不是很大，如果不是想使用ReentrantLock的高级功能，优先考虑使用synchronized关键字。

②非阻塞同步

(1)CAS概述

互斥同步大的性能问题是线程的阻塞和唤醒，因此又叫阻塞同步。

互斥同步采用悲观并发策略：

多线程并发访问共享数据时，总是认为只要不加正确的同步措施，肯定会出现问题。

无论共享数据是否存在竞争，都会执行加锁、用户态和心态的切换、维护锁计数器、检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。

随着硬件指令集的发展，我们可以采用基于冲突检测的乐观并发策略：

先进行操作，如果不存在冲突(即没有其他线程争用共享数据)，则操作成功。

如果有其他线程争用共享数据，产生了冲突，使用其他的补偿措施。

常见的补偿措施：不断尝试，直到成功为止，比如循环的CAS操作。

乐观并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，这种同步操作叫做非阻塞同步。

非阻塞同步依靠的硬件指令集：前三条是比较久远的指令，后两条是现代处理器新增的。

测试和设置(TestandSet)

获取并增加(FetchandIncrement)

交换(Swap)

比较并交换(CompareandSwap，即CAS)

加载链接/条件存储(LoadLinked/StoreConditional，即LL/SC)

什么是CAS?

CAS，即CompareandSwap，需要借助处理器的cmpxchg指令完成。

CAS指令需要三个操作数：内存位置V(Java中可以简单的理解为变量的内存地址)、旧的期待值A、新值B。

CAS指令执行时，当且仅当V符合旧的预期值A，处理器才用新值B更新V的值;否则，不执行更新。

不管是否更新V的值，都返回V的旧值，整个处理过程是一个原子操作。

原子操作：所谓的原子操作是指一个或一系列不可被中断的操作。

Java中的CAS操作：

Java中的CAS操作由sun.misc.Unsafe中的compareAndSwapInt()、compareAndSwapLong()等几个方法包装提供。实际无法调用这些方法，需要采用反射机制才能使用。

在实际的开发过程中，一般通过其他的JavaAPI调用它们，如JUC包原子类中的compareAndSet(expect,update)、getAndIncrement()等方法。这些方法内部都使用了Unsafe类的CAS操作。

Unsafe类的CAS操作，通过JVM的即时编译器编译后，是一条与平台相关的CAS指令。

除了偏向锁，Java中其他锁的实现方式都是用了循环的CAS操作。

(2)通过循环的CAS实现原子操作

通过++i或者i++可以实现计数器的自增，在多线程环境下，这样使用是非线程安全的。

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