竞态条件 & 临界区 (race condition & critical section)
当两个线程竞争同一资源时，如果对资源的访问顺序敏感，就称存在竞态条件。导致竞态条件发生的代码区称作临界区。 在临界区中使用适当的同步就可以避免竞态条件。
多线程同时执行下面的代码可能会出错1
2
3
4
5
6public class Counter {
protected long count = 0;
public void add(long value){
this.count = this.count + value;
}
}
想象下线程A和B同时执行同一个Counter对象的add()方法，我们无法知道操作系统何时会在两个线程之间切换。JVM并不是将这段代码视为单条指令来执行的，而是按照下面的顺序：
1)从内存获取 this.count 的值放到寄存器
2)将寄存器中的值增加value
3)将寄存器中的值写回内存
若A、B按一下顺序执行：
this.count = 0;
- A: 读取 this.count 到一个寄存器 (0)
- B: 读取 this.count 到一个寄存器 (0)
- B: 将寄存器的值加2
- B: 回写寄存器值(2)到内存. this.count 现在等于 2
- A: 将寄存器的值加3
- A: 回写寄存器值(3)到内存. this.count 现在等于 3
两个线程分别加了2和3到count变量上，两个线程执行结束后count变量的值应该等于5。实际结果为3.
当多个线程同时访问同一个资源，并且其中的一个或者多个线程对这个资源进行了写操作，才会产生竞态条件。多个线程同时读同一个资源不会产生竞态条件。
线程安全与共享资源
允许被多个线程同时执行的代码称作线程安全的代码。线程安全的代码不包含竞态条件。当多个线程同时更新共享资源时会引发竞态条件。因此，了解Java线程执行时共享了什么资源很重要。
1）基础类型局部变量
局部变量存储在线程自己的栈中。也就是说，局部变量永远也不会被多个线程共享。所以，基础类型的局部变量是线程安全的。
2）局部的对象引用
对象的局部引用和基础类型的局部变量不太一样。尽管引用本身没有被共享，但引用所指的对象并没有存储在线程的栈内。所有的对象都存在共享堆中。如果在某个方法中创建的对象不会逃逸出，即该对象不会被其它方法获得，也不会被非局部变量引用到）该方法，那么它就是线程安全的。实际上，哪怕将这个对象作为参数传给其它方法，只要别的线程获取不到这个对象，那它仍是线程安全的。
3）成员变量
对象成员存储在堆上。如果两个线程同时更新同一个对象的同一个成员，那这个代码就不是线程安全的。
线程控制逃逸规则
如果一个资源的创建，使用，销毁都在同一个线程内完成，且永远不会脱离该线程的控制，则该资源的使用就是线程安全的。
即使对象本身线程安全，但如果该对象中包含其他资源（文件，数据库连接），整个应用也许就不再是线程安全的了。比如2个线程都创建了各自的数据库连接，每个连接自身是线程安全的，但它们所连接到的同一个数据库也许不是线程安全的。
丢失的信号（Missed Signals）
notify()和notifyAll()方法不会保存调用它们的方法，因为当这两个方法被调用时，有可能没有线程处于等待状态。通知信号过后便丢弃了。因此，如果一个线程先于被通知线程调用wait()前调用了notify()，等待的线程将错过这个信号。这可能是也可能不是个问题。不过，在某些情况下，这可能使等待线程永远在等待，不再醒来，因为线程错过了唤醒信号。
为了避免丢失信号，必须把它们保存在信号类里。在MyWaitNotify的例子中，通知信号应被存储在MyWaitNotify实例的一个成员变量里。以下是MyWaitNotify的修改版本：1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24public class MyWaitNotify2{
MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();
boolean wasSignalled = false;
public void doWait(){
synchronized(myMonitorObject){
if(!wasSignalled){
try{
myMonitorObject.wait();
} catch(InterruptedException e){...}
}
//clear signal and continue running.
wasSignalled = false;
}
}
public void doNotify(){
synchronized(myMonitorObject){
wasSignalled = true;
myMonitorObject.notify();
}
}
}
假唤醒
由于莫名其妙的原因，线程有可能在没有调用过notify()和notifyAll()的情况下醒来。这就是所谓的假唤醒（spurious wakeups）。
如果在MyWaitNotify2的doWait()方法里发生了假唤醒，等待线程即使没有收到正确的信号，也能够执行后续的操作。这可能导致你的应用程序出现严重问题。
为了防止假唤醒，保存信号的成员变量将在一个while循环里接受检查，而不是在if表达式里。这样的一个while循环叫做自旋锁。
这种做法要慎重，目前的JVM实现自旋会消耗CPU，如果长时间不调用doNotify方法，doWait方法会一直自旋，CPU会消耗太大。
如果你有多个线程在等待，被notifyAll()唤醒，但只有一个被允许继续执行，使用while循环也是个好方法。每次只有一个线程可以获得监视器对象锁，意味着只有一个线程可以退出wait()调用并清除wasSignalled标志。
注意不要在字符串常量或全局对象中调用wait()。JVM/编译器内部会把常量字符串转换成同一个对象。这意味着，即使你有2个不同的MyWaitNotify实例，它们都引用了相同的空字符串实例。同时也意味着存在这样的风险：在第一个MyWaitNotify实例上调用doWait()的线程会被在第二个MyWaitNotify实例上调用doNotify()的线程唤醒。
死锁
死锁是两个或更多线程阻塞着等待其它处于死锁状态的线程所持有的锁。死锁通常发生在多个线程同时但以不同的顺序请求同一组锁的时候。例如：
Thread 1 locks A, waits for B
Thread 2 locks B, waits for A
死锁可能不止包含2个线程，这让检测死锁变得更加困难。下面是4个线程发生死锁的例子：
Thread 1 locks A, waits for B
Thread 2 locks B, waits for C
Thread 3 locks C, waits for D
Thread 4 locks D, waits for A
更加复杂的死锁场景发生在数据库事务中。一个数据库事务可能由多条SQL更新请求组成。当在一个事务中更新一条记录，这条记录就会被锁住避免其他事务的更新请求，直到第一个事务结束。同一个事务中每一个更新请求都可能会锁住一些记录。
当多个事务同时需要对一些相同的记录做更新操作时，就很有可能发生死锁，例如：
Transaction 1, request 1, locks record 1 for update
Transaction 2, request 1, locks record 2 for update
Transaction 1, request 2, tries to lock record 2 for update
Transaction 2, request 2, tries to lock record 1 for update
避免死锁
1）加锁顺序
当多个线程需要相同的一些锁，但是按照不同的顺序加锁，死锁就很容易发生。
如果能确保所有的线程都是按照相同的顺序获得锁，那么死锁就不会发生。
如果一个线程需要一些锁，那么它必须按照确定的顺序获取锁。它只有获得了从顺序上排在前面的锁之后，才能获取后面的锁。
按照顺序加锁是一种有效的死锁预防机制。但是，这种方式需要你事先知道所有可能会用到的锁，并对这些锁做适当的排序，但总有些时候是无法预知的。
2）加锁时限
另外一个可以避免死锁的方法是在尝试获取锁的时候加一个超时时间，这也就意味着在尝试获取锁的过程中若超过了这个时限该线程则放弃对该锁请求。若一个线程没有在给定的时限内成功获得所有需要的锁，则会进行回退并释放所有已经获得的锁，然后等待一段随机的时间再重试。这段随机的等待时间让其它线程有机会尝试获取相同的这些锁，并且让该应用在没有获得锁的时候可以继续运行。
如果有非常多的线程同一时间去竞争同一批资源，就算有超时和回退机制，还是可能会导致这些线程重复地尝试但却始终得不到锁。
这种机制存在一个问题，在Java中不能对synchronized同步块设置超时时间。你需要创建一个自定义锁，或使用Java5中java.util.concurrent包下的工具。
3）死锁检测
死锁检测是一个更好的死锁预防机制，它主要是针对那些不可能实现按序加锁并且锁超时也不可行的场景。
每当一个线程获得了锁，会在线程和锁相关的数据结构中（map、graph等等）将其记下。除此之外，每当有线程请求锁，也需要记录在这个数据结构中。
当一个线程请求锁失败时，这个线程可以遍历锁的关系图看看是否有死锁发生。
一旦检测出死锁时，一个可行的做法是释放所有锁，回退，并且等待一段随机的时间后重试。这个和简单的加锁超时类似，不一样的是只有死锁已经发生了才回退，而不会是因为加锁的请求超时了。虽然有回退和等待，但是如果有大量的线程竞争同一批锁，它们还是会重复地死锁 。
一个更好的方案是给这些线程设置优先级，让一个（或几个）线程回退，剩下的线程就像没发生死锁一样继续保持着它们需要的锁。如果赋予这些线程的优先级是固定不变的，同一批线程总是会拥有更高的优先级。为避免这个问题，可以在死锁发生的时候设置随机的优先级。
嵌套管程锁死（Nested Monitor Lockout）
嵌套管程锁死类似于死锁， 下面是一个嵌套管程锁死的场景：
- 线程1获得A对象的锁。
- 线程1获得对象B的锁（同时持有对象A的锁）。
- 线程1决定等待另一个线程的信号再继续。
- 线程1调用B.wait()，从而释放了B对象上的锁，但仍然持有对象A的锁。
- 线程2需要同时持有对象A和对象B的锁，才能向线程1发信号。
- 线程2无法获得对象A上的锁，因为对象A上的锁当前正被线程1持有。
- 线程2一直被阻塞，等待线程1释放对象A上的锁。
- 线程1一直阻塞，等待线程2的信号，因此，不会释放对象A上的锁，而线程2需要对象A上的锁才能给线程1发信号……
嵌套管程锁死 VS 死锁
死锁通常是因为两个线程获取锁的顺序不一致造成的，线程1锁住A，等待获取B，线程2已经获取了B，再等待获取A。如死锁避免中所说的，死锁可以通过总是以相同的顺序获取锁来避免。
但是发生嵌套管程锁死时锁获取的顺序是一致的。线程1获得A和B，然后释放B，等待线程2的信号。线程2需要同时获得A和B，才能向线程1发送信号。所以，一个线程在等待唤醒，另一个线程在等待想要的锁被释放。
简单来说，死锁中，二个线程都在等待对方释放锁。嵌套管程锁死中，线程1持有锁A，同时等待从线程2发来的信号，线程2需要锁A来发信号给线程1。
遗漏的条件Slipped Conditions
所谓Slipped conditions，就是说， 从一个线程检查某一特定条件到该线程操作此条件期间，这个条件已经被其它线程改变，导致第一个线程在该条件上执行了错误的操作。
可看下面这个例子：1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15public void lock(){
synchronized(this){
while(isLocked){
try{
this.wait();
} catch(InterruptedException e){
//do nothing, keep waiting
}
}
}
synchronized(this){
isLocked = true;
}
}
假如在某个时刻isLocked为false， 这个时候，有两个线程同时访问lock方法。如果第一个线程先进入第一个同步块，这个时候它会发现isLocked为false，若此时允许第二个线程执行，它也进入第一个同步块，同样发现isLocked是false。现在两个线程都检查了这个条件为false，然后它们都会继续进入第二个同步块中并设置isLocked为true。
重入锁死
对于以一个不可重入的锁的实现，如果一个线程在两次调用lock()间没有调用unlock()方法，那么第二次调用lock()就会被阻塞，这就出现了重入锁死。
避免重入锁死有两个选择：
- 编写代码时避免再次获取已经持有的锁
- 使用可重入锁
参考文档：
Jenkov.com/java-concurrency
更多Java基础系列文章，参见Java基础大纲