第13章 线程安全与锁优化

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一、线程安全

1.1 Java语言中的线程安全

按照线程安全的“安全程度”由强至弱，可以将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

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（比如java.lang.String类的对象就是一个典型的不可变对象，调用它的substring(),replace()和concat这些方法不会影响它原来的值，只会返回一个新构造的字符串对象）。

2. 绝对线程安全

绝对的线程安全需要满足“不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施”。在Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对线程安全。比如java.util.Vector，add()，get()和remove()等方法都是被synchronized修饰的，但是当get()和remove()在两个并发运行的线程中被用到时，可能会发生错误。（序号i被改变后，仍然使用原来的值）。

3. 相对线程安全

相对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 ，但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。

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。

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。如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，如果并发进行的话，无论调用时是否进行了同步，目标线程都是存在死锁风险的。

1.2 线程安全的实现方法

1. 互斥同步

同步是指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。（互斥是因，同步是果；互斥是方法，同步是目的。）

Java中的互斥同步手段：

• synchronized关键字。synchronize关键字在经过编译之后，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synchronize明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference，否则就根据synchronize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。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，需要从用户态转换到和心态中，需要耗费很多的处理器时间。
• java.util.concurrent包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步。它增加了一些高级功能：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，可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。公平锁是指在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序依次获得锁；synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。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

互斥同步属于一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施（例如加锁），那就肯定会出现问题。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。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，知道成功为止），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。应用如：AtomicInteger。

3. 无同步方案

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。如：可重入代码和线程本地存储。每一个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象，这个对象存储了一组以ThreadLocal.threadLocalHashCode为键，以本地线程变量为值得K-V键值对，ThreadLocal就是当前线程的ThreadLocalMap的访问入口，每一个ThreadLocal对象都包含一个独一无二的threadLocalHashCode值，使用这个值就可以在线程K-V值对中找回对应的本地线程变量。

二、锁优化

2.1 自旋锁与自适应自旋

因为共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。如果物理机器有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们可以让后面请求锁的那个线程“稍等一下”，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，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。

JDK1.6中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来确定。

2.2 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。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。

2.3 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。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，频繁地进行互斥同步操作会导致不必要的性能损耗。如果虚拟机探测到有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。

2.4 轻量级锁

2.5 偏向锁