深入理解Java虚拟机笔记(十)线程安全与锁优化

线程安全

定义:当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑执行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准确的结果，那这个对象是线程安全的。

特征:代码本身封装了所有必要的正确性保障手段(如互斥同步等)，令调用者无须关心多线程问题，更无须自己采取任何措施来保证多线程的正确调用。不过大多数场景中，会把这个定义弱化一些，如果把"调用这个对象的行为"限定为"单次调用"，这个定义的其他描述也能成立的话，我们就可以称它是线程安全了。

Java语言中的线程安全

这里讨论的线程安全限定于多个线程之间存在共享数据访问这个前提。

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

在Java语言中，不可变的对象一定是线程安全的，无论是对象的方法还是方法的调用者，都不需要再采取任何的线程安全保障措施。

Java语言中，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关键字修饰就可以保证它是不变的。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有:String,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AtomicInteger和AtomicLong则并非不可变的。

2. 绝对线程安全

要达到绝对线程安全即完美满足线程安全的定义，通常需要付出很大的代价，有时候甚至是不切实际的。在JavaAPI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。

public class ConcurrentTest {
    private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                vector.add(i);
            }
            Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        vector.remove(i);
                    }
                }
            });
            Thread printThread = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                        //System.out.println(vector.get(i));
                    }
                }
            });
            removeThread.start();
            printThread.start();
            while (Thread.activeCount() > 20) ;
        }
    }
}

虽然Vector的get，remove和size方法都是同步的，但是在多线程环境中，如果不在方法调用端做额外同步的话，使用这段代码仍然是不安全的，会发生一个线程将一个变量删掉，另一个线程访问该变量的情况，出现异常。

需要加锁

3.相对线程安全

相对线程安全就是我们通常意义上的线程安全，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证措施，但是对于一些特定顺序的连续使用，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，例如上面的vector就是相对线程安全。

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，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数时候指的是这一种情况。Java API中大部分的类都是属于线程兼容的，如ArrayList和HahsMap。

5.线程对立

线程对立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。不过，由于Java语言天生就具备多线程特性，这种代码是很少的。

例子:Thread类的suspend()和resume()方法，如果有两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试去中断线程，另一个尝试去恢复线程，若并发进行的话，无论调用时是否进行了同步，目标对象都有发生死锁的风险，如果suspend中断的线程就是即将要执行resume的线程那就肯定要产生死锁了。

线程安全的实现方法

1.互斥同步

同步是指在多个线程并发访问共享数据的时候，保证共享数据在同一个时刻只被一个(或者一些，信号量)线程使用。而互斥是实现同步的一种手段。(悲观锁)

synchronized关键字是最基本的互斥同步手段，编译后会在前后生成monitorenter和monitorexit两个字节码指令。

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。

在虚拟机规范对monitorenter和monitorexit的行为描述中，有两点是需要特别注意的。首先，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。其次，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。

Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态转换到核心态中，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。对于代码简单的同步块（如被synchronized修饰的getter（）或setter（）方法），状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。所以synchronized是Java语言中一个重量级（Heavyweight）的操作，有经验的程序员都会在确实必要的情况下才使用这种操作。而虚拟机本身也会进行一些优化，譬如在通知操作系统阻塞线程之前加入一段自旋等待过程，避免频繁地切入到核心态之中。

还可以JUC中的重入锁来实现同步。

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。

JDK 1.6发布之后，人们发现synchronized与ReentrantLock的性能基本上是完全持平了。

2.非阻塞同步

乐观锁。

随着硬件指令集的发展，我们有了另外一个选择：基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地说，就是先进行操作，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

我们需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，靠什么来保证呢？如果这里再使用互斥同步来保证就失去意义了，所以我们只能靠硬件来完成这件事情，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

存在ABA问题，J.U.C包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。不过目前来说这个类比较“鸡肋”，大部分情况下ABA问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

3.无同步方案

要保证线程安全，并不是一定就要进行同步，两者没有因果关系。同步只是保证共享数据争用时的正确性的手段，如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性，因此会有一些代码天生就是线程安全的

可重入代码：这种代码也叫做纯代码，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。相对线程安全来说，可重入性是更基本的特性，它可以保证线程安全，即所有的可重入的代码都是线程安全的，但是并非所有的线程安全的代码都是可重入的。

我们可以通过一个简单的原则来判断代码是否具备可重入性：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。

锁优化

自旋锁与自适应自旋

互斥同步中，线程状态的转换给系统并发性能带来很大的压力，如果只是需要很短的一段时间加锁的化可以使用自旋锁(忙循环)，不过时间过长的自旋锁会带来性能的浪费，因此自旋锁是有限度的超过一定的限度就会进入传统的互斥同步。

自适应自旋锁的自选时间会根据前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的的状态来决定。

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。

通过逃逸分析来进行判定。

为什么会有明知道不存在数据争用的情况下要求同步的代码?

答案:有些同步措施并不是程序员加入的。

public String concatString（String s1，String s2，String s3）{
return s1+s2+s3；
}

String会被优化为StringBuffer.append

public String concatString（String s1，String s2，String s3）{
StringBuffer sb=new StringBuffer（）；
sb.append（s1）；
sb.append（s2）；
sb.append（s3）；
return sb.toString（）；
}

StringBuffer.append里面有同步块。但sb变量并不会逃逸，因此会触发锁消除。

锁粗化

原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。

轻量级锁

轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，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MarkWord的拷贝

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

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
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。

上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的，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。

轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

偏向锁

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。

偏向锁的“偏”，就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”，它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。

那么，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（例如Locking、Unlocking及对Mark Word的Update等）。

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。