一、什么是线程安全性

如果一个类可以安全地被多个线程使用，它就是线程安全的。你无法对此论述提出任何争议，但也无法从中得到更多有意义的帮助。那么我们如何辨别线程安全与非线程安全的类？我们甚至又该如何理解“安全”呢？任何一个合理的“线程安全性”定义，其关键在于“正确性”的概念。在<<JAVA并发编程实践>>书中作者是这样定义的：

一个类是是线程安全的，是指在被多个线程访问时，类可以持续进行正确的行为。或当多个线程访问一个类时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，并且不需要额外的同步及在调用方代码不必作其他的协调，这个类的行为仍然是正确的，那么称这个类是线程安全的。

二、代码示例

2.1实现一个计数器

package com.lll.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class UnsafeCount {
//public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public static int count = 0;

public static void inc() {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//count.incrementAndGet();
count++;
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

ExecutorService service=Executors.newFixedThreadPool(Integer.MAX_VALUE);

for (int i = 0; i < 100; i++) {
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
UnsafeCount.inc();
}
});
}

service.shutdown();
//避免出现main主线程先跑完而子线程还没结束，在这里给予一个关闭时间
service.awaitTermination(3000,TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("运行结果:UnsafeCount.count=" + UnsafeCount.count);
}
}

提示:为了提高测试的准确性，注意查看第三十六行注释“避免出现main主线程先跑完而子线程还没结束，在这里给予一个关闭时间”。

运行结果:UnsafeCount.count=92

运行结果:UnsafeCount.count=98

....

根据结果可以看出在多线程环境下，没有获得期望的正确结果100.

2.2 原因分析

大家都知道，计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主内存中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从主内存读取数据和向主内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和主内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在就有了主内存和本地内存。也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到线程的本地内存中，创建一个count变量副本，那么CPU进行计算时就可以直接从本地内存加载，使用，赋值和写入到内存中，最后再将副本值同步到主内存中。如下图：

图片摘自http://images.cnblogs.com/cnblogs_com/aigongsi/201204/201204011757235219.jpg

然而这些操作是不具备原子性的，当线程一正在将新的副本值newCount同步到主内存时，线程二从本地内存加载到数据oldCount，加载到的数据并非是线程一改过之后的newCount，所以结果导致数据和预期的不一样。

2.3 解决办法一：使用AtomicInteger计数

一个提供原子操作的Integer的类。在Java语言中，++count和count++操作并不是线程安全的，在使用的时候，不可避免的会用到synchronized关键字。而AtomicInteger则通过一种线程安全的加减操作来确保所有访问count状态的操作都是原子的。修改第9行和18行代码如下：

package com.lll.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class UnsafeCount {
public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
//public static int count = 0;

public static void inc() {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
count.incrementAndGet();
//count++;
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

ExecutorService service=Executors.newFixedThreadPool(Integer.MAX_VALUE);

for (int i = 0; i < 100; i++) {
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
UnsafeCount.inc();
}
});
}

service.shutdown();
//避免出现main主线程先跑完而子线程还没结束，在这里给予一个关闭时间
service.awaitTermination(3000,TimeUnit.SECONDS);
System.out.println("运行结果:UnsafeCount.count=" + UnsafeCount.count);
}
}

控制台：
+------------------------------------------------------------------+
 UnsafeCount.count=98
+------------------------------------------------------------------+

三、AtomicInteger源码剖析

【Java并发编程】深入分析AtomicInteger(二)

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    private volatile int value;
    static {
      try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

从AtomicInteger源码可以看出AtomicInteger使用了Unsafe提供的volatile和compareAndSet(简称：CAS)函数实现原子操作。第一步：先在类中获取了Unsafe的实例，然后通过Unsafe实例的objectFieldOffset方法获得value在内存中的位置。为什么它要获取value在内存中的位置？我们从incrementAndGet方法依次往下分析

 /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

第二步：通过get()方法获得value的值+1，其中value是volatile类型，当其它线程修改value值时，可以保证每次拿到的value值时最新的。然后再将value传给了compareAndSet函数。compareAndSet代码如下：

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

+-------------------------compareAndSet函数注释-----------------------------------------+
“    Atomically sets the value to the given updated value if the current value {@code ==} the expected value.@return true if successful. False return indicates that the actual value was not equal to the expected value.”
+------------------------------------------------------------------+

第三步：compareAndSet()方法拿到expect和update值后，如果valueOffset位置包含的值与expect值相同，则更新valueOffset位置的值为update，并返回true，否则不更新，返回false。

作者：小毛驴，一个游戏人　
梦想：世界和平　　　
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