线程安全性：num++操作为什么也会出问题？

　　线程的安全性可能是非常复杂的，在没有充足同步的情况下，由于多个线程中的操作执行顺序是不可预测的，甚至会产生奇怪的结果（非预期的）。下面的Tools工具类的plus方法会使计数加一，为了方便，这里的num和plus()都是static的：

public class Tools {

    private static int num = 0;

    public  static int plus() {
        num++;
        return num;
    }

}

　　我们再编写一个任务，调用这个plus()方法并输出计数：

public class Task implements Runnable {

    @Override
    public void run(){
        int num = Tools.plus();
        System.out.println(num);
    }
}

　　最后创建10个线程，驱动任务：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Task()).start();
        }
    }
}

　　输出：

2
4
3
1
5
6
7
8
9
10

　　看起来一切正常，10个线程并发地执行，得到了0累加10次的结果。我们把10次改为10000次：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread(new Task()).start();
        }
    }
}

　　输出：

...
9994
9995
9996
9997
9998

　　在我的电脑上，这个程序只能偶尔输出10000，为什么？

　　问题在于，如果执行的时机不对，那么两个线程会在调用plus()方法时得到相同的值，num++看上去是单个操作，但事实上包含三个操作：读取num，将num加一，将计算结果写入num。由于运行时可能多个线程之间的操作交替执行，因此这多个线程可能会同时执行读操作，从而使它们得到相同的值，并将这个值加1，结果就是，在不同的线程调用中返回了相同的数值。

A线程：num=9→→→9+1=10→→→num=10
B线程：→→→→num=9→→→9+1=10→→→num=10

　　如果把这个操作换一种写法，会看的更清晰，num加一后赋值给一个临时变量tmp，并睡眠一秒，最后将tmp赋值给num：

public class Tools {

    private static int num = 0;

    public static int plus() {
        int tmp = num + 1;
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        num = tmp;
        return num;
    }

}

　　这次我们启动两个线程就能看出问题：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(new Task()).start();
        }
    }
}

　　启动程序后，控制台1s后输出：

1
1

A线程：num=0→→→0+1=1→→→num=1
B线程：→num=0→→→0+1=1→→→num=1

　　上面的例子是一种常见的并发安全问题，称为竞态条件（Race Condition），在多线程环境下，plus()是否会返回唯一的值，取决于运行时对线程中操作的交替执行方式，这并不是我们希望看到的情况。

　　由于多个线程要共享相同的内存地址空间，并且是并发运行，因此它们可能会访问或修改其他线程正在使用的变量，线程会由于无法预料的数据变化而发生错误。要使多线程程序的行为可以预测，必须对共享变量的访问操作进行协同，这样才不会在线程之间发生彼此干扰。幸运的是，java提供了各种同步机制来协同这种访问。

　　将plus()修改为一个同步方法，同一时间只有一个线程可以进入该方法，可以修复错误：

public class Tools {

    private static int num = 0;

    public synchronized static int plus() {
        int tmp = num + 1;
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        num = tmp;
        return num;
    }

}

　　控制台先后输出：

1
2

　　这时如果将plus()方法改为num++，驱动10000个线程去执行，也可以保证每次都能输出到10000了。

　　那么如何设计一个线程安全的类避免出现此类问题呢？

　　如果我们写了这样一个Tools工具类，没有考虑并发的情况，其他调用者可能就会在多线程调用plus()方法中产生问题，我们也不希望在多线程调用其他开发者编写的类时产生和单线程调用不一样的结果，我们希望无论单线程还是多线程调用一个类时，无须使用额外的同步，这个类即能表现出正确的行为，这样的类是线程安全的。

　　观察上面程序，我们在对num变量进行操作时出了问题，首先，num变量具有两个特点：共享的（Shared）和可变的（Mutable）。“共享”意味着变量可以由多个线程同时访问，而“可变”意味着变量的值在其生命周期内可以发生变化；其次，看一下我们对num的操作，读取num，将num加一，将计算结果写入num，这是一个“读取-修改-写入”的操作，并且其结果依赖于之前的状态。这是一种最常见的竞态条件——“先检查后执行（Check-Then-Act）”操作，首先观察某个条件为真（num为0），然后根据观察结果采取相应的动作（将num加1），但是，当我们采取相应动作的时候，系统的状态就可能发生变化，观察结果可能变得无效（另一个线程在这期间将num加1），这样的例子还有很多，比如观察某路径不存在文件夹X，线程A开始创建文件夹X，但是当线程A开始创建文件夹X的时候，它先前观察的结果就失效了，可能会有另一个线程B在这期间创建了文件夹X，这样问题就出现了。

　　因此，我们可以从两个方面来考虑设计线程安全的类：

　　一、状态变量方面：（对象的状态是指存储在实例变量与静态域成员中的数据，还可能包括其他依赖对象的域。例如，某HashMap的状态不仅存储在HashMap本身，还存储在许多Map.Entry对象中。）多线程访问同一个可变的状态变量没有使用合适的同步会出现问题，因此：

　　1.不在线程之间共享该状态变量（即每个线程都有独自的状态变量）

　　2.将状态变量修改为不可变的变量

　　3.在访问状态变量时使用同步

　　二、操作方面：在某个线程需要复合操作修改状态变量时，通过某种方式防止其它线程使用这个变量，从而确保其它线程只能在修改操作完成之前或者之后读取和修改状态，而不是在修改状态的过程中。