併發與多執行緒之執行緒安全篇
併發是指某個時間段內，多個任務交替執行的能力。 CPU 把可執行時間均勻地分成若干份，每個程式執行一段時間後，記錄當前的工作狀態，釋放當前的執行資源並進入等待狀態，讓其他程式搶佔 CPU 資源。並行是指同時處理多工的能力。目前， CPU 已經發展為多核，可以同時執行多個互不依賴的指令及執行塊。
併發和並行的目標都是儘可能快執行完所有的任務，兩者區別核心在於程式是否同時執行，併發環境有著以下幾個特點：
- 併發程式之間有相互制約的關係。
- 併發程式的執行過程是斷斷續續的。
- 當併發設定合理並且 CPU 擁有足夠的處理能力時，併發會提高程式的執行效率。
執行緒安全
我們都知道，程式是作業系統進行資源分配的獨立單位，而執行緒是CPU排程和分派的基本單位，為了更充分地利用CPU資源，一般都會使用多執行緒進行處理。多執行緒的作用是提高任務的平均執行速度。
執行緒可以擁有自己的操作棧、程式計數器、區域性變數表等資源，它與同一程式內的其他執行緒共享該程式的所有資源。執行緒在生命週期記憶體在多種狀態，分別為NEW（新建狀態）、RUNNABLE（就緒狀態）、RUNNING（執行狀態）、BLOCKED（堵塞狀態）、DEAD（死亡狀態） 五種狀態。執行緒狀態圖如下
NEW-新建狀態
New 是執行緒被建立且未啟動的狀態。執行緒被建立的方式有三種：第一種繼承 Thread 類，第二種實現 Runnable 介面，第三種實現 Callable 介面。由於 Java 單繼承限制，所以推薦第二種，實現 Runnable 介面可以使程式設計更加靈活，對外暴露的細節比較少，開發者只需專注於具體的實現，即 run 方法的實現。第三種方式是實現 Callable 介面，程式碼如下：
@FunctionalInterface
public interface Callable<V> {
// Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
// Returns:computed result
// Throws:Exception – if unable to compute a result
V call() throws Exception;
}
從註釋中看出，當出現無法計算的結果就會丟擲異常，並且Callable介面是存在返回值的。這是 Callable 跟 Runnable 的本質區別。
RUNNABLE-就緒狀態
Runnable 是呼叫 start() 之後並且在執行之前的狀態。執行緒的 start 方法不能多次呼叫，否則將丟擲 IllegalThreadStateException 異常。
RUNNING-執行狀態
Running 是 run() 正在執行時執行緒的狀態。執行緒可能會由於某些原因而退出 RUNNING ，如時間、異常、鎖、排程等。
BLOCKED-堵塞狀態
Blocked 是執行緒已經發生堵塞的狀態，具體發生堵塞的有以下幾種情況：
- 同步堵塞：鎖被其他執行緒佔用。
- 主動堵塞：呼叫 Thread 的某些方法，主動讓出 CPU 執行權，比如 sleep()、join() 等。
- 等待堵塞：執行了wait() 。
DEAD-死亡狀態
Dead 是執行緒已經執行完 run 方法，或因異常錯誤導致退出的狀態，該狀態無法逆轉，即無法回到就緒狀態。
在計算機的執行緒處理過程當中，因為每個執行緒輪流佔用 CPU 的計算資源，可能會出現某個執行緒尚未執行完就不得不中斷的情況，容易導致執行緒不安全。例如，在服務端某個高併發業務共享某使用者資料，首先 A 執行緒執行使用者的查詢任務，但是查詢出來的資料還未返回就退出 CPU 時間片；然後後面進來的 B 執行緒搶佔了 CPU 資源並覆蓋了該使用者資料，最後 A 執行緒重新執行，將 B 執行緒修改過後的資料返回給前端，導致頁面出現資料異常。所以，為了保證執行緒安全，在多個執行緒併發地競爭共享資源時，通常採用同步機制協調各個執行緒的執行，確保得到正確的結果。
執行緒安全問題只在多執行緒環境下出現，單執行緒序列執行並不會存在此問題。為了保證高併發場景下的執行緒安全，可以從以下四個維度來探討：
（1）資料單執行緒內可見。單執行緒總是安全的。通過限制資料僅在單執行緒內可見，可以避免資料被其他執行緒篡改。最典型的就是執行緒區域性變數，它儲存在獨立虛擬機器棧幀的區域性變數表中，與其他執行緒毫無瓜葛。ThreadLocal 就是採用這種方式來實現執行緒安全的。
（2）只讀物件。只讀物件總是安全的。它的特性是允許複製、拒絕寫入。最典型的只讀物件有 String、Integer 等。一個物件想要拒絕任何寫入，必須要滿足以下條件：使用 final 關鍵字修飾類，避免被繼承；使用 private final 關鍵字避免屬性被中途修改；沒有任何更新方法；返回值不能為可變物件。
（3）執行緒安全類。某些執行緒安全類的內部有非常明確的執行緒安全機制。比如 StringBuffer 就是一個執行緒安全類，它採用 synchronized 關鍵字來修飾相關方法。
（4）同步與鎖機制。如果想要對某個物件進行併發更新操作，但又不屬於上述三類，需要開發者在程式碼中自定義實現相關的安全同步機制。
執行緒安全的核心理念就是“要不只讀，要不加鎖”。JDK 提供的併發包，主要分成以下幾個類族：
（1）執行緒同步類。這些類使執行緒間的協調更加容易，支援了更加豐富的執行緒協調場景，逐步淘汰了使用 Object 的 wait() 和 notify() 進行同步的方式。主要代表有 CountDownLatch、Semaphore、CyclicBarrier 等。
（2）併發集合類。集合併發操作的要求是執行速度快，提取資料準。最典型的莫過於 ConcurrentHashMap ，經過不斷的優化，有剛開始的分段式鎖到後來的 CAS ，不斷的提高併發效能。除此之外，還有 ConcurrentSkipListMap 、 CopyOnWriteArrayList 、BlockingQueue 等。
（3）執行緒管理類。雖然 Thread 和 ThreadLocal 在 JDK1.0 就已經引入，但是真正把 Thread 的作用發揮到極致的是執行緒池。根據實際場景的需要，提供了多種建立執行緒池的快捷方式，如使用 Executors 靜態工廠或者使用 ThreadPoolExecutors 等。另外，通過 ScheduledExecutorService 來執行定時任務。
（4）鎖相關類。鎖以 Lock 介面為核心，派生出一些實際場景中進行互斥操作的鎖相關類。最有名的是 ReentrantLock 。