线程安全与锁优化

线程安全

当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象是线程安全的

Java语言中的线程安全

Java语言中各种操作共享的数据分为以下5类：不可变、 绝对线程安全、 相对线程安全、 线程兼容和线程对立。

• 1.不可变
  • 不可变（Immutable）的对象一定是线程安全的，无论是对象的方法实现还是方法的调用者，都不需要再采取任何的线程安全保障措施
  • 如果共享数据是一个基本数据类型，那么只要在定义时使用final关键字修饰它就可以保证它是不可变的。 如果共享数据是一个对象，那就需要保证对象的行为不会对其状态产生任何影响才行
    • 保证对象行为不影响自己状态的途径有很多种，其中最简单的就是把对象中带有状态的变量都声明为final，这样在构造函数结束之后，它就是不可变的
  • 在Java API中符合不可变要求的类型，除了String之外，常用的还有枚举类型，以及java.lang.Number的部分子类，如Long和Double等数值包装类型，BigInteger和BigDecimal等大数据类型；但同为Number的子类型的原子类AtomicInteger和AtomicLong则并非不可变的（内部变量使用volatile）
• 2.绝对线程安全
  • 在Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对的线程安全。
• 3.相对线程安全
  • 相对的线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全，它需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，我们在调用的时候不需要做额外的保障措施，但是对于一些特定顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。
  • 在Java语言中，大部分的线程安全类都属于这种类型，例如Vector、 HashTable、Collections的synchronizedCollection（）方法包装的集合等。
• 4.线程兼容
  • 线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全地使用
• 5.线程对立
  • 线程对立是指无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。

线程安全的实现方法

• 1.互斥同步
  • 互斥同步（Mutual Exclusion＆Synchronization）是常见的一种并发正确性保障手段。 同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一个（或者是一些，使用信号量的时候）线程使用。 而互斥是实现同步的一种手段，临界区（Critical Section）、 互斥量（Mutex）和信号量（Semaphore）都是主要的互斥实现方式。 因此，在这4个字里面，互斥是因，同步是果；互斥是方法，同步是目的。
  • 在Java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。 如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference；如果没有明确指定，那就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法，去取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。
  • 根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁。 如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1，相应的，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁就被释放。 如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。
  • synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题。
  • 同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。
  • synchronized是Java语言中一个重量级（Heavyweight）的操作
  • 除了synchronized之外，我们还可以使用java.util.concurrent（下文称J.U.C）包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步.
    • ReentrantLock表现为API层面的互斥锁（lock（）和unlock（）方法配合try/finally语句块来完成），synchronized表现为原生语法层面的互斥锁。 不过，相比synchronized,ReentrantLock增加了一些高级功能，主要有以下3项：等待可中断、 可实现公平锁，以及锁可以绑定多个条件。
      • 等待可中断是指当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情
      • 公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁；
      • 锁绑定多个条件是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象
• 2.非阻塞同步
  • 先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了；如果共享数据有争用，产生了冲突，那就再采取其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重试，直到成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步操作称为非阻塞同步（Non-Blocking Synchronization）。
  • 硬件保证一个从语义上看起来需要多次操作的行为只通过一条处理器指令就能完成
    • 测试并设置（Test-and-Set）。
    • 获取并增加（Fetch-and-Increment）。
    • 交换（Swap）。
    • 比较并交换（Compare-and-Swap，下文称CAS）。
      • CAS指令需要有3个操作数，分别是内存位置（在Java中可以简单理解为变量的内存地址，用V表示）、 旧的预期值（用A表示）和新值（用B表示）。 CAS指令执行时，当且仅当V符合旧预期值A时，处理器用新值B更新V的值，否则它就不执行更新，但是无论是否更新了V的值，都会返回V的旧值，上述的处理过程是一个原子操作。
    • 加载链接/条件存储（Load-Linked/Store-Conditional，下文称LL/SC）
• 3.无同步方案
  • 可重入代码（Reentrant Code）：这种代码也叫做纯代码（Pure Code），可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码（包括递归调用它本身），而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。
    • 可重入代码有一些共同的特征，例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、 用到的状态量都由参数中传入、 不调用非可重入的方法等。
      • 如果一个方法，它的返回结果是可以预测的，只要输入了相同的数据，就都能返回相同的结果，那它就满足可重入性的要求，当然也就是线程安全的。
  • 线程本地存储（Thread Local Storage）：如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行？如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。
    • Java可以可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。

锁优化

自旋锁与自适应自旋

挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力。

• 自旋锁： 为了让线程等待（保持在用户态），我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁
• 自适应自旋：如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

锁消除

锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

锁粗化

如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部

轻量级锁

• “轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就称为“重量级”锁。
• 它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗
• 在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word）
  
  图1 轻量级锁CAS操作之前堆栈与对象的状态
• 然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态
  
  图2 轻量级锁CAS操作之后堆栈与对象的状态
• 如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果只说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。
• 如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
• 如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。 如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

偏向锁

• 它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。
• 如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。
• 当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设为“01”，即偏向模式。 同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作
• 当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。 根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行
  
  图3 偏向锁、 轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系
• 如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。