寫在前面

多線程訪問共享變量的時(shí)候卒茬，很容易出現(xiàn)并發(fā)問題船老。特別是多個(gè)線程對共享變量進(jìn)行寫入的時(shí)候，由于原子性的問題圃酵，很容易導(dǎo)致最后數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤努隙。一般來講，我們可以進(jìn)行同步辜昵，同步的方式就是加鎖。另一方面咽斧，jdk也提供了變量的線程隔離方式——ThreadLocal堪置，盡管它的出現(xiàn)并不是為了解決上述的問題。

共享變量

何為共享變量张惹？說到這個(gè)舀锨，我們想一想什么變量不是共享的。在一個(gè)線程調(diào)用一個(gè)方法的時(shí)候宛逗，會(huì)在棧內(nèi)存上為局部變量和方法參數(shù)申請內(nèi)存坎匿，在方法調(diào)用結(jié)束的時(shí)候，這些內(nèi)存會(huì)被釋放雷激。不同的線程調(diào)用同一個(gè)方法都會(huì)為局部變量和方法參數(shù)copy一個(gè)副本替蔬，所以棧內(nèi)存是私有的，也就是說局部變量和方法參數(shù)不是線程共享的屎暇。而堆上的數(shù)組和對象是共享的承桥，堆內(nèi)存是所有線程可以訪問的，也就是說成員變量根悼，靜態(tài)變量和數(shù)組元素是可以共享的凶异。

原子性

即不可中斷的一個(gè)或一系列操作蜀撑，也就是說一個(gè)操作或者多個(gè)操作，要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會(huì)被任何因素打斷剩彬，要么就都不執(zhí)行酷麦。在線程級(jí)別，我們可以這樣說一個(gè)或幾個(gè)操作只能在一個(gè)線程執(zhí)行完之后喉恋，另一個(gè)線程才能開始執(zhí)行該操作沃饶，也就是說這些操作是不可分割的，線程不能在這些操作上交替執(zhí)行瀑晒。

舉個(gè)栗子：i++绍坝，這個(gè)操作的語義可以拆分成三步：

• 讀取變量i的值
• 將變量i值加1
• 將計(jì)算結(jié)果寫入變量i

由于線程是基于處理器分配的時(shí)間片執(zhí)行的，這三個(gè)步驟可能讓多個(gè)線程交叉執(zhí)行苔悦。我們假設(shè)i

的初始值為0轩褐，如果兩個(gè)線程按照如下順序交替執(zhí)行的話：

01.png

我們看到，經(jīng)過了兩次i++的操作玖详，變量i最后的值是1把介，并不是想象中的2。這就是因?yàn)?code>i++并不是原子性操作所帶來的并發(fā)問題蟋座。

解決方案

從共享性解決

使用局部變量

方法中的方法參數(shù)和局部變量是線程私有的拗踢，自然不會(huì)存在并發(fā)問題。

使用ThreadLocal

ThreadLocal示例

ThreadLocal作為變量的線程隔離的類向臀，訪問此變量的每個(gè)線程都會(huì)copy一個(gè)此變量的副本巢墅。多個(gè)線程操作這個(gè)變量，實(shí)際上是操作的自己本地內(nèi)存的變量券膀，這樣就避免了多線程操作變量的安全問題君纫。

我們先來看一下ThreadLocal的簡單使用：

public class ThreadLocalDemo {
    static ThreadLocal<String> tl = new ThreadLocal<>();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(()->{
            tl.set("thread 1 locals");
            System.out.println("thread 1 :"+ tl.get());
        });
        Thread thread2 = new Thread(()->{
            tl.set("thread 2 locals");
            System.out.println("thread 2 :"+ tl.get());
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

02.png

其實(shí)無論運(yùn)行多少次，無論幾個(gè)線程一起跑芹彬，最后打印出來的都是各個(gè)線程自己維護(hù)在內(nèi)存里的本地變量蓄髓，而不會(huì)出現(xiàn)線程1設(shè)置的變量被線程2修改這種情況。

ThreadLocal源碼解讀

結(jié)構(gòu)

03.png

04.png

由ThreadLocal和Thread的類結(jié)構(gòu)可知舒帮，Thread里面有兩個(gè)成員變量threadLocals和threadLocals会喝，他們都是ThreadLocalMap類型的，而ThreadLocalMap是ThreadLocal的一個(gè)靜態(tài)內(nèi)部類玩郊，這是一個(gè)定制化的HashMap肢执。默認(rèn)每個(gè)線程一開始的時(shí)候，這兩個(gè)變量都是null瓦宜。

05.png

類結(jié)構(gòu)圖如下：

06.png

Set方法

ThreadLocal#set:

public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread(); //當(dāng)前線程
        ThreadLocalMap map = getMap(t); //獲取當(dāng)前線程的threadlocals
        if (map != null)
            map.set(this, value); //(k,v)存入ThreadLocalMap
        else
            createMap(t, value); //初始化當(dāng)前線程的threadlocals蔚万，創(chuàng)建ThreadLocalMap
    }

代碼的字面意思：如果當(dāng)前線程的threadLocals變量不為null，則將當(dāng)前的ThreadLocal實(shí)例為key临庇，傳入的value值為value反璃，放入ThreadLocalMap對象里面昵慌；如果當(dāng)前線程的threadLocals為null，則初始化當(dāng)前線程的threadLocals變量淮蜈。

ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
        return t.threadLocals; //返回當(dāng)前線程的threadLocals
    }

void createMap(Thread t, T firstValue) {
        t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue); //初始化當(dāng)前線程的threadLocals斋攀，k為當(dāng)前的ThreadLocal對象，v為設(shè)置的值梧田。
    }

看到這里淳蔼，說一下為什么為什么會(huì)是個(gè)map。那是因?yàn)橐粋€(gè)線程可以綁定多個(gè)ThreadLocal實(shí)例裁眯。例如：

static ThreadLocal<String> tl1 = new ThreadLocal<>();
static ThreadLocal<Integer> tl2 = new ThreadLocal<>();

Get方法

public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread(); //當(dāng)前線程
        ThreadLocalMap map = getMap(t); //當(dāng)前線程的threadlocals變量
        if (map != null) {
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this); //取出Entry
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value;
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }

private T setInitialValue() {
        T value = initialValue(); //初始化為null
        Thread t = Thread.currentThread(); 
        ThreadLocalMap map = getMap(t); //獲取當(dāng)前線程的thredLocals是變量
        if (map != null)
            map.set(this, value);
        else
            createMap(t, value);
        return value;
    }

這段代碼的意思是：我先判斷當(dāng)前線程的本地變量threadLocals變量是否為null鹉梨，不為null則以當(dāng)前的ThreadLocal實(shí)例為key從map中取出Entry，能取出Entry則返回對應(yīng)的value值穿稳；若當(dāng)前線程的本地變量threadLocals變量為null存皂，則初始化threadLocals變量，初始化的工作和set差不多逢艘，只不過set設(shè)置的值為傳入的參數(shù)旦袋，初始化設(shè)置的value是null(在當(dāng)前線程的threadLocals變量不為null的時(shí)候)。

Remove 方法

public void remove() {
    ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
    if (m != null)
        m.remove(this);
}

就是如果當(dāng)前線程的 本地變量threadLocals不為null它改，則刪除當(dāng)前線程中指定 ThreadLocal 實(shí)例的本地變量疤孕。

總結(jié)一下：每個(gè)線程都有一個(gè)成員變量叫threadLocals,它是ThreadLocalMap類型的。其中的key為每一個(gè)ThreadLocal的實(shí)例央拖，value為傳入的參數(shù)值祭阀。

注意：

• 由于ThreadLocalMap的key為WeakReference，在外部沒有強(qiáng)引用時(shí)鲜戒，發(fā)生GC會(huì)回收時(shí)柬讨，如果創(chuàng)建ThreadLocal一直運(yùn)行，將會(huì)導(dǎo)致這個(gè)key對應(yīng)的value將會(huì)一直在內(nèi)存中得不到回收袍啡，發(fā)生內(nèi)存泄露。所以在用完ThreadLocal的時(shí)候要注意手動(dòng)remove却桶。
• 其實(shí)ThreadLocal會(huì)有個(gè)問題境输，那就是子線程通過獲取不了父線程中的ThreadLocal變量，這個(gè)其實(shí)java已經(jīng)給出了解決方案了颖系，就是Thread的另一個(gè)ThreadLocalMap類型的變量inheritableThreadLocals,我們通過這個(gè)變量嗅剖，從get方法中能獲取到本線程和父線程的ThreadLocal變量。

同步方法解決

話說回來嘁扼，剛剛我們從共享性角度解決并發(fā)編程的原子性問題信粮，提出了ThreadLocal，也就是每個(gè)線程獨(dú)占的趁啸，自然不會(huì)有并發(fā)問題强缘。下面從另一個(gè)角度來說督惰，也就是我們都知道的方式：加鎖。

鎖的概念

《并發(fā)編程的藝術(shù)》里是這么定義鎖的："鎖是用來控制多個(gè)線程訪問共享資源的方式旅掂，一般來說赏胚，一個(gè)鎖能防止多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源(但是有些鎖可以允許多個(gè)線程并發(fā)的訪問共享資源，比如讀寫鎖)"商虐。

提到鎖觉阅，一大堆名詞就冒出來了：內(nèi)置鎖，顯示鎖秘车，可重入鎖典勇，讀寫鎖，以及祖師爺抽象隊(duì)列同步器(AQS)……

最大名鼎鼎的要屬于synchronized的了叮趴。

synchronized關(guān)鍵字

synchronized同步關(guān)鍵字割笙，可以修飾方法，使之成為同步方法疫向】任担可以修飾this或Class對象，使之成為同步代碼塊搔驼。

public 返回類型 方法名(參數(shù)列表) {
    synchronized (鎖對象) {
        需要保持原子性的一系列代碼
        }
}

public synchronized 返回類型 方法名(參數(shù)列表) {
    需要被同步執(zhí)行的代碼
}

public synchronized static 返回類型 方法名(參數(shù)列表) {
    需要被同步執(zhí)行的代碼
}

例如這個(gè)demo：

public class SynchronizedDemo {
    private Object lock = new Object();
    
    public synchronized void m1(){
    }
    public void m2(){
        synchronized (lock) {
        }
    }
}

通過javap反編譯出來：

07.png

可以看到谈火，同步代碼塊的的synchronized是用monitorenter和moniteorexit實(shí)現(xiàn)的，同步方法看不出來(其實(shí)是jvm底層的的ACC_SYNCHRONIZED實(shí)現(xiàn)的)舌涨。

monitorenter指令對應(yīng)于同步代碼塊的開始位置糯耍，監(jiān)視器在這個(gè)位置進(jìn)入，獲取鎖囊嘉；moniteorexit指令對應(yīng)于同步代碼塊的結(jié)束位置温技，監(jiān)視器在這個(gè)位置退出，釋放鎖扭粱。

JVM需要保證每一個(gè)monitorenter都有一個(gè)monitorexit與之對應(yīng)舵鳞，任何對象都有個(gè)monitor與之關(guān)聯(lián)。一旦monitor被持有琢蛤，這個(gè)對象將被鎖定蜓堕。

Java對象頭

synchronized用的鎖是存在java對象頭里的，對象頭一般占有2字寬(1字寬為4字節(jié)博其，即32bit)套才，但是如果對象是數(shù)組類型，則需要3字寬慕淡。對象頭里的Mark Word默認(rèn)存儲(chǔ)對象的HashCode背伴，分代年齡和鎖標(biāo)記位。對象頭的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

08.png

（此圖來源于互聯(lián)網(wǎng)，侵刪）

鎖的升級(jí)與優(yōu)化

從jdk1.6開始傻寂，對鎖進(jìn)行了進(jìn)一步的升級(jí)和優(yōu)化息尺。鎖一共有4種狀態(tài)，無鎖崎逃，偏向鎖掷倔，輕量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖个绍，這幾種狀態(tài)會(huì)隨著競爭情況逐漸升級(jí)勒葱。鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)。

偏向鎖

偏向鎖的引入背景：只在單線程訪問同步塊的場景巴柿。

當(dāng)鎖不存在多線程競爭的時(shí)候凛虽，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低引入了偏向鎖。當(dāng)一個(gè)線程訪問同步快并獲取鎖時(shí)广恢，會(huì)在對象頭Mark Word上記錄偏向鎖狀態(tài)位1凯旋，此時(shí)的鎖標(biāo)識(shí)位是01。

當(dāng)一個(gè)線程獲取鎖的時(shí)候钉迷，會(huì)先檢查Mark Word上的可偏狀態(tài)至非，如果是1，則繼續(xù)檢查對象頭的線程Id糠聪。如果線程Id不是當(dāng)前線程荒椭，則通過CAS競爭獲取鎖，競爭成功將線程Id替換舰蟆，如果CAS競爭鎖失敗趣惠，證明存在多線程情況，此時(shí)偏向鎖被掛起身害，升級(jí)升輕量級(jí)鎖味悄。如果線程是當(dāng)先線程，則執(zhí)行同步代碼塊塌鸯。

偏向鎖的釋放使用了一種等到競爭出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制侍瑟，所以當(dāng)其他線程去競爭鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖丙猬。此時(shí)將恢復(fù)到無鎖狀態(tài)或偏向于其他線程丢习。

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖的引入背景：沒有多線程競爭的前提下，減少重量級(jí)鎖的互斥產(chǎn)生的性能消耗淮悼。

線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會(huì)首先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間揽思，并通過CAS將Mark Word替換為指向鎖記錄的指針袜腥。如果成功，則當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗羹令，則表示有其他線程競爭鎖鲤屡，此時(shí)會(huì)自旋等待，并會(huì)膨脹成重量級(jí)鎖福侈。

輕量級(jí)鎖的釋放也是通過CAS來執(zhí)行的酒来，如果成功，則表示沒有競爭發(fā)生肪凛，如果失敗堰汉，鎖會(huì)膨脹成重量級(jí)鎖。

我們發(fā)現(xiàn)伟墙，偏向鎖相比較輕量級(jí)鎖通過CAS以及自旋等方式獲取鎖翘鸭，性能更好一些，因?yàn)樗挥性谂袛鄬ο箢^中的線程Id不是當(dāng)前線程的時(shí)候才去CAS競爭鎖戳葵，而輕量級(jí)鎖一開始就CAS競爭鎖了就乓。

重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖通過對象內(nèi)部的monitor實(shí)現(xiàn)，當(dāng)鎖處于整個(gè)狀態(tài)下拱烁，其他線程試圖獲取鎖時(shí)生蚁，都會(huì)被阻塞住，當(dāng)持有鎖的線程釋放鎖之后才會(huì)喚醒這些線程戏自，被喚醒的線程展開新的一輪鎖爭奪邦投。此時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，線程切換的成本非常高浦妄。

參考資料

方騰飛：《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》