java.util.concurrent包介绍（2）——Java线程安全

在Java Concurrency in Practice中是这样定义线程安全的：

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运行，并且不需要额外的同步及在调用方代码不必做其他的协调，这个类的行为仍然是正确的，那么这个类就是线程安全的。

显然只有资源竞争时才会导致线程不安全，因此无状态对象永远是线程安全的。

原子操作的描述是： 多个线程执行一个操作时，其中任何一个线程要么完全执行完此操作，要么没有执行此操作的任何步骤，那么这个操作就是原子的。

枯燥的定义介绍完了，下面说更枯燥的理论知识。

指令重排序

Java语言规范规定了JVM线程内部维持顺序化语义，也就是说只要程序的最终结果等同于它在严格的顺序化环境下的结果，那么指令的执行顺序就可能与代码的顺序不一致。这个过程通过叫做指令的重排序。指令重排序存在的意义在于：JVM能够根据处理器的特性（CPU的多级缓存系统、多核处理器等）适当的重新排序机器指令，使机器指令更符合CPU的执行特点，最大限度的发挥机器的性能。

程序执行最简单的模型是按照指令出现的顺序执行，这样就与执行指令的CPU无关，最大限度的保证了指令的可移植性。这个模型的专业术语叫做顺序化一致性模型。但是现代计算机体系和处理器架构都不保证这一点（因为人为的指定并不能总是保证符合CPU处理的特性）。

我们来看最经典的一个案例。

package xylz.study.concurrency.atomic;

public class ReorderingDemo {

static int x = 0, y = 0, a = 0, b = 0;

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

for (int i = 0; i < 100; i++) {
x=y=a=b=0;
Thread one = new Thread() {
public void run() {
a = 1;
x = b;
}
};
Thread two = new Thread() {
public void run() {
b = 1;
y = a;
}
};
one.start();
two.start();
one.join();
two.join();
System.out.println(x + " " + y);
}
}

}

在这个例子中one/two两个线程修改区x,y,a,b四个变量，在执行100次的情况下，可能得到(0 1)或者（1 0）或者（1 1）。事实上按照JVM的规范以及CPU的特性有很可能得到（0 0）。当然上面的代码大家不一定能得到（0 0），因为run()里面的操作过于简单，可能比启动一个线程花费的时间还少，因此上面的例子难以出现（0,0）。但是在现代CPU和JVM上确实是存在的。由于run()里面的动作对于结果是无关的，因此里面的指令可能发生指令重排序，即使是按照程序的顺序执行，数据变化刷新到主存也是需要时间的。假定是按照a=1;x=b;b=1;y=a;执行的，x=0是比较正常的，虽然a=1在y=a之前执行的，但是由于线程one执行a=1完成后还没有来得及将数据1写回主存（这时候数据是在线程one的堆栈里面的），线程two从主存中拿到的数据a可能仍然是0（显然是一个过期数据，但是是有可能的），这样就发生了数据错误。

在两个线程交替执行的情况下数据的结果就不确定了，在机器压力大，多核CPU并发执行的情况下，数据的结果就更加不确定了。