Java并发——如何处理多线程并发安全的问题

前言

大家好，我是chowley，今天在复习Java并发的内容，顺便来回答一个经典问题——如何处理多线程并发安全？

并发编程涉及到多线程同时访问共享资源的问题，而多线程并发访问共享资源可能导致数据不一致、竞态条件等问题，因此如何处理多线程并发安全成为了 Java 开发中的重点。

1. 同步机制

1.1 synchronized

synchronized关键字是 Java 中最基本的同步机制之一，它可以用来修饰方法或代码块，保证同一时间只有一个线程可以访问被同步的代码区域。

synchronized 的实现依赖于 JVM 的内置锁机制（也称为监视器锁），具体实现方式可能因 JVM 的不同而有所差异。基本思想是当线程进入同步代码块时，它会尝试获取对象的锁，如果获取成功则执行代码块，执行完成后释放锁。如果获取失败，则线程进入等待状态，直到获取到锁为止。

1.2 ReentrantLock

ReentrantLock 是Java 中提供的另一种同步机制，相比于 synchronized，它提供了更加灵活的锁定方式，可以实现更复杂的同步需求，例如可重入锁、公平锁等。

ReentrantLock 是通过 java.util.concurrent.locks.ReentrantLock 类来实现的。它内部使用了 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）来管理锁状态。AQS 使用一个 volatile 类型的状态变量来表示锁的状态，同时维护一个 FIFO 队列来存储等待获取锁的线程。当一个线程尝试获取锁时，如果失败了，则会被加入到等待队列中，直到获取到锁为止。

2. 原子操作——Atomic 包

Java 的 java.util.concurrent.atomic 包提供了一系列原子操作类，如 AtomicInteger、AtomicLong 等。这些类提供了一些基本类型的原子操作方法，例如 getAndIncrement()、getAndAdd() 等，这些方法都是原子性的，即在同一时间只有一个线程能够执行该操作。

Atomic 包中的原子操作类的实现基于底层的 CAS（Compare And Swap）操作。CAS 是一种乐观锁机制，它使用了 CPU 的原子性指令来实现对共享变量的原子操作。当多个线程同时尝试更新一个变量时，CAS 会比较当前变量的值与预期值，如果相等则执行更新操作，否则重新尝试。

3. 并发容器

Java 并发包中提供了一系列线程安全的容器类，如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList 等。并发容器的实现方式因容器的不同而有所差异。以 ConcurrentHashMap 为例，它使用了分段锁（Segment）的机制来实现并发访问。

ConcurrentHashMap 内部维护了一个数组，每个数组元素是一个 Segment，每个 Segment 都是一个小的 HashMap，它们之间相互独立，从而实现了并发访问。而 CopyOnWriteArrayList 则通过在写操作时复制一份新的数组来保证线程安全。这些容器类可以在多线程环境下安全地操作数据，而无需开发者手动进行同步控制。

4. volatile

volatile 关键字用来修饰变量，它保证了变量的可见性，即当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即看到最新的值。volatile 变量不会被缓存到线程的本地内存中，而是直接从主内存中读取，从而避免了由于线程间缓存不一致导致的数据不一致性问题。而在写入 volatile 变量时会立即将新值刷新到主内存中，从而保证了线程之间对 volatile 变量的可见性。