你好，我是猿java。
随着硬件技术的快速发展（比如多核处理器，超线程技术），我们通常会在代码中使用多线程（比如线程池）来提高性能，但是，多线程又会带来线程安全问题。因此，本文将深入探讨Java中的线程安全问题。
首先，我们来看看维基百科对是如何描述的，如下图：
总结一下：线程安全（Thread Safety）是指多个线程访问共享资源时，不会破坏资源的完整性。如下图：
请注意，导致线程安全问题一定要同时具备以下 3个条件，缺一不可：
- 1. 多线程环境：如果是单线程，程序肯定会串行顺序执行，不可能出现线程安全问题。
- 2. 操作共享资源：所谓共享资源是指多个线程或进程可以同时访问和使用的资源。如果每个线程都是操作自己的局部变量，尽管满足条件1，但也不会出现线程安全问题。
- 3. 至少存在一个写操作：如果是多线程读取共享资源，尽管满足了前 2个条件，但是读操作天然是幂等的，因此也不会出现线程安全的问题，所以线程中至少存在一个写操作。
上面从表象上说明线程安全需要具备的 3个条件，在 Java中，线程安全性通常涉及以下 3个指标：
- 原子性（Atomicity）：操作要么全部完成，要么全部不完成。
- 可见性（Visibility）：一个线程对共享变量的修改对其他线程是立即可见的。
- 有序性（Ordering）：程序的执行顺序符合预期，不会因为编译器优化或CPU重排序而改变。
在 Java中，造成线程安全问题的根因是硬件结构，为了消除 CPU和主内存之间的硬件速度差，通常会在两者之间设置多级缓存（L1 ～ L3），如下图：
Java为了适配这种多级缓存的硬件构造，设计了一套与之对应的内存模型（JMM，Java memory model，包括主内存和工作内存，如下图：
- 主内存：所有的变量都存储在主内存中。
- 工作内存：每个线程都有自己的工作内存，会将主内存的共享变量复制到自己的工作内存中，然后做后续业务操作，最终再将工作内存中的变量刷新到主内存。
线程对变量的所有操作（读取、写入）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。线程之间无法直接访问对方的工作内存，变量的传递需要通过主内存来完成。
关于 Java内存模型的原理，我们会在另外的文章中单独讲解，本文只是概要性的总结。
在中也有原子性（Atomicity）的概念，它是指一个操作是不可分割的，即要么全部执行，要么全部不执行。Java线程安全中的与数据库事务中的原子性本质是一样的，只是它们应用的上下文和具体实现有所不同。
Java提供了多种方式来保证原子性，比如 同步块、锁或者原子类。
为了更好的说明，我们这里以一个反例来展示不具备的情况，如下代码：
在上述代码中，这种写法在我们的日常开发经常使用，但它不是一个原子操作，实际上分为三步：
- 读取的值
- 将的值加 1
- 将结果写回给
如果多个线程同时执行方法，可能会导致的值不正确，比如有 3个线程A，B，C：
- 线程A读取的值，并且将的值加 1，但是还未将结果写回给；
- 此时，线程B读取的值仍然是0，并且将的值加 1；
- 线程A 将结果写回给，将设置为 1;
- 线程B 将结果写回给，将设置为 1;
- 线程C 读取的值为1，并且将的值加 1，并且将结果写回给，将设置为 2;
3个线程都对进行操作，预期的最终值是 3，但因为无法保证原子性，因此，最终的值未达到预期的值。
是指一个线程对共享变量的修改，其他线程能立刻看到。在Java中，关键字可以保证变量的可见性。
为了更好的说明，我们这里以一个示例进行分析，如下代码：
在上述代码中，变量是一个全局变量，如果没有使用关键字，running 变量的修改可能不会被其他线程立即看到。
是指程序代码的执行顺序。在单线程环境中，代码的执行顺序通常是按照代码的书写顺序执行的。然而，在多线程环境中，编译器、JVM和CPU可能会为了优化性能进行指令重排序（Instruction Reordering），这可能会导致代码的执行顺序与预期不一致。
Java内存模型（Java Memory Model, JMM）允许编译器和处理器进行指令重排序，但会保证单线程内的执行结果和多线程内的同步结果是正确的。
这里以一个反例来展示不具备，如下代码：
在上述代码中，方法可能会看到，但仍然为 0，因为编译器或CPU可能对指令进行重排序。
在 Java中，通常可以通过以下几个方式来保证线程安全。
是Java的一个原语关键字，它可以保证方法或代码块在同一时刻只能被一个线程执行，从而确保原子性和可见性。
下面的代码是关键字的简单使用：
接口提供了比更灵活的锁机制，常用的实现类有 ReentrantLock 可重入锁。
下面的代码是关键字的简单使用：
Java提供了一些原子类，如 AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicReference，它们通过CAS（Compare-And-Swap）操作实现了非阻塞的线程安全。
下面的代码是原子类的简单使用：
类提供了线程局部变量，每个线程都有自己独立的变量副本，从而避免了共享数据的竞争。
下面的代码是类的简单使用：
Redis 分布式锁 或者 Zookeeper分布式锁是分布式环境下保证线程安全的常用方法。关于两种分布式锁的原理，会在其他的文章详细分析。
线程安全是 Java多线程编程中很重要的一部分，本文讲解了什么是线程安全以及产生线程安全问题的根因，并且通过原子性，有序性，可见性对线程安全进行了分析。
- 硬件的多级缓存和Java与之对应的内存模型是导致线程安全的根因；
- 可以保证变量的可见性，但不能保证原子性，因此无法保证线程安全；
- ，虚拟机锁，原子类，分布式锁可以保证线程的安全性；
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