線程安全與鎖優(yōu)化

1. 線程安全

按照線程安全的安全程度由強(qiáng)到弱排序，Java中各種操作共享數(shù)據(jù)分為以下5類：不可變腊凶、絕對(duì)線程安全编矾、相對(duì)線程安全、線程兼容和線程對(duì)立箱熬。

1. 不可變
   Java API中的不可變類有：String类垦、枚舉類、java.lang.Number的部分子類（Long城须、Double等數(shù)值包裝類型护锤，BigInteger、BigDecimal等大數(shù)據(jù)類型）酿傍。

   java.lang.Number的子類中的原子類（AutomicInteger烙懦、AtomicLong）是可變類。

2. 絕對(duì)線程安全

   絕對(duì)線程安全完全滿足Brian Goetz給出的線程安全的定義：不管運(yùn)行時(shí)環(huán)境如何赤炒，調(diào)用者都不需要任何額外的同步措施氯析。這個(gè)定義是很嚴(yán)格的，Java API中標(biāo)注是線程安全的類莺褒，大多數(shù)都不是絕對(duì)的線程安全掩缓。

3. 相對(duì)線程安全

   相對(duì)線程安全就是我們通常意義上所講的線程安全。它需要保證對(duì)這個(gè)對(duì)象單獨(dú)的操作是線程安全的遵岩，我們?cè)谡{(diào)用的時(shí)候不需要做額外的保障措施你辣，但對(duì)于一些特定順序的連續(xù)調(diào)用巡通，就可能需要在調(diào)用端使用額外的同步手段來保證調(diào)用的正確性。

4. 線程兼容

   線程兼容指對(duì)象本身并不是線程安全的舍哄，但是可以通過在調(diào)用端正確地使用同步手段來保證對(duì)象在并發(fā)環(huán)境中可以安全地使用宴凉，我們平時(shí)說一個(gè)類不是線程安全的，絕大多數(shù)指的是這種情況表悬。

5. 線程對(duì)立

   線程對(duì)立是指無(wú)論調(diào)用端是否采取了同步措施弥锄，都無(wú)法在多線程環(huán)境中并發(fā)使用的代碼。如Thread中被@Deprecated的suspend()蟆沫、resume()籽暇，還有System.setIn()、System.setOut()饭庞、System.runFinalizersOnExit()等戒悠。

2. 線程安全的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 互斥同步

同步是指在多個(gè)線程并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)時(shí)，保證共享數(shù)據(jù)在同一個(gè)時(shí)刻只被一個(gè)（或者是一些舟山，使用信號(hào)量時(shí)）線程使用救崔。互斥是實(shí)現(xiàn)同步的一種手段捏顺，臨界區(qū)六孵、互斥量、信號(hào)量都是主要的互斥實(shí)現(xiàn)方式幅骄。

互斥同步時(shí)劫窒，如果獲取對(duì)象的鎖失敗，那么線程就要阻塞等待拆座，因此這種同步又叫做阻塞同步主巍。

使用synchronized與java.util.concurrent.ReentrantLock來實(shí)現(xiàn)同步。

ReentrantLock還有一些高級(jí)功能：

1. 等待可中斷

   等待可中斷指當(dāng)持有鎖的線程長(zhǎng)時(shí)間不釋放鎖時(shí)挪凑，正在等待的線程可以選擇放棄等待孕索，改為處理其他事情□锾迹可中斷特性對(duì)處理執(zhí)行時(shí)間非常長(zhǎng)的同步塊很有幫助搞旭。

2. 可實(shí)現(xiàn)公平鎖

   實(shí)現(xiàn)公平鎖指多個(gè)線程在等待同一個(gè)鎖時(shí)，必須按照申請(qǐng)鎖的時(shí)間順序來依次獲得鎖菇绵，而非公平鎖則不能保證這一點(diǎn)肄渗，非公平鎖在鎖被釋放時(shí)，任何一個(gè)等待鎖的線程都有機(jī)會(huì)獲得鎖咬最。synchronized鎖是非公平的翎嫡。

3. 鎖可以綁定多個(gè)條件

   一個(gè)ReentrantLock可以同時(shí)綁定多個(gè)Condition對(duì)象。

2.2 非阻塞同步

互斥同步（阻塞同步）最主要的問題就是進(jìn)行線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題永乌。

基于沖突檢測(cè)的樂觀并發(fā)策略惑申，通俗講就是先進(jìn)行操作具伍，如果沒有其他線程爭(zhēng)用共享數(shù)據(jù)，那操作就成功了圈驼；如果共享數(shù)據(jù)有爭(zhēng)用人芽，產(chǎn)生了沖突，就在采取其他的補(bǔ)償措施（最常見的補(bǔ)償措施就是不斷地重試碗脊，直到成功為止）啼肩，這種樂觀的并發(fā)策略的許多實(shí)現(xiàn)都不需要把線程掛起橄妆，因此這種同步操作稱為非阻塞同步衙伶。

使用這種樂觀并發(fā)策略需要硬件的支持，需要將操作和沖突檢測(cè)這兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)成原子性操作（硬件保證一個(gè)語(yǔ)義上看起來需要多次操作的行為只通過一條處理器指令就能完成）害碾。這類指令常用的有：

• 測(cè)試并設(shè)置（Test-and-Set）
• 獲取并增加（Fetch-and-Increment）
• 交換（Swap）
• 比較并交換（Compare-and-Swap矢劲，CAS）
• 加載鏈接/條件存儲(chǔ)（Load-Linked/Store-Conditional，LL/SC）

CAS指令需要3個(gè)操作數(shù)：內(nèi)存位置V慌随、舊的預(yù)期值A(chǔ)芬沉、新值B。CAS指令執(zhí)行時(shí)阁猜，當(dāng)且僅當(dāng)V符合舊預(yù)期值A(chǔ)時(shí)丸逸，處理器用新值B更新V的值，否則不執(zhí)行更新剃袍，無(wú)論是否更新了V的值黄刚，都會(huì)返回V的舊值。

Java程序中的CAS操作由sun.misc.Unsafe類里面的compareAndSwapInt()民效、compareAndSwapLong()等方法提供憔维。但是這個(gè)Unsafe類不是提供給用戶程序調(diào)用的類，在J.U.C包里面的整數(shù)原子類畏邢，其中的compareAndSet()业扒、getAndIncrement()等方法使用了Unsafe類的CAS操作。

CAS在語(yǔ)義上存在一個(gè)邏輯漏洞：如果一個(gè)變量V初次讀取時(shí)是A值舒萎，并且在準(zhǔn)備賦值時(shí)檢查到它仍然是A值程储，并不能說明它的值沒有被其他線程改變過。如果在這段期間臂寝，它的值曾經(jīng)被改成了B虱肄，后來又改回為A，那CAS操作就會(huì)誤認(rèn)為它從來沒有被改變過交煞。這個(gè)漏洞稱為CAS操作的ABA問題咏窿。J.U.C包為了解決這個(gè)問題，提供了一個(gè)帶有標(biāo)記的原子引用類AtomicStampedReference素征，可以通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性集嵌。

大部分情況下萝挤，ABA問題不會(huì)影響程序并發(fā)的正確性，如果需要解決ABA問題根欧，改用傳統(tǒng)的互斥同步可能會(huì)比原子類更高效怜珍。

2.3 無(wú)同步方案

要保證線程安全，并不是一定就要進(jìn)行同步凤粗，兩者沒有因果關(guān)系酥泛。同步只是保證共享數(shù)據(jù)爭(zhēng)用時(shí)的正確手段，如果一個(gè)方法本來就不涉及共享數(shù)據(jù)嫌拣，那它自然就無(wú)須任何同步措施去保證正確性柔袁，因此會(huì)有一些代碼天生就是線程安全的，如下面介紹的异逐。

1. 可重入代碼

   也叫做純代碼捶索，可以在代碼執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷它，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行另外一段代碼灰瞻，在控制權(quán)返回后腥例，原來的程序不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。

   可重入代碼有共同特征：如不依賴存儲(chǔ)在堆上的數(shù)據(jù)和公用的系統(tǒng)資源酝润、用到的狀態(tài)量都由參數(shù)中傳入燎竖、不調(diào)用非可重入的方法等。

2. 線程本地存儲(chǔ)

3. 鎖優(yōu)化

3.1 鎖消除

鎖消除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)要销，對(duì)一些代碼上要求同步构回，但是被檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的鎖進(jìn)行消除。

鎖消除的主要判定依據(jù)來源于逃逸分析的數(shù)據(jù)支持蕉陋。如果判斷在一段代碼中捐凭，堆上的所有數(shù)據(jù)都不會(huì)逃逸出去從而被其他線程訪問到，那就可以把它們當(dāng)做棧上數(shù)據(jù)對(duì)待凳鬓，認(rèn)為它們是線程私有的茁肠，同步加鎖自然無(wú)需進(jìn)行。

有許多同步措施不是程序員自己加入的缩举，而是由編譯器加入的垦梆。在即時(shí)編譯階段會(huì)將編譯器加入的確實(shí)無(wú)用的鎖消除。

3.2 鎖粗化

原則上仅孩，我們?cè)诰帉懘a時(shí)托猩，總是推薦將同步塊的作用范圍限制得盡量小——只在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步，這樣是為了使得需要同步的操作數(shù)量盡可能變小辽慕，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)京腥，那等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。

大部分情況下溅蛉，上述原則是正確的公浪，但如果一系列的連續(xù)操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖他宛、解鎖，甚至加鎖操作出現(xiàn)在循環(huán)體中欠气，那即使沒有線程競(jìng)爭(zhēng)厅各，頻繁地進(jìn)行互斥同步操作也會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗。

如果虛擬機(jī)探測(cè)到有這樣一串零碎的操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖预柒，將會(huì)把加鎖同步范圍擴(kuò)展（粗化）到整個(gè)操作序列的外部队塘。

3.3 偏向鎖

偏向鎖的目的是消除數(shù)據(jù)在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)情況下的同步原語(yǔ)，進(jìn)一步提高程序的運(yùn)行性能宜鸯。

偏向鎖是鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程憔古，在接下來的執(zhí)行過程中，如果鎖沒有被其他的線程獲取顾翼，則持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要再進(jìn)行同步投放。

如果當(dāng)前虛擬機(jī)啟用了偏向鎖奈泪，那么當(dāng)鎖對(duì)象第一次被線程獲取時(shí)适贸，虛擬機(jī)將會(huì)把對(duì)象頭中的標(biāo)志位設(shè)為01。同時(shí)使用CAS操作把獲取到這個(gè)鎖的線程ID記錄在對(duì)象的Mark Word中涝桅，如果CAS成功拜姿，持有偏向鎖的線程以后每次進(jìn)入這個(gè)鎖相關(guān)的同步塊時(shí)，虛擬機(jī)都可以不再進(jìn)行任何同步操作冯遂。

當(dāng)有另外一個(gè)線程嘗試獲得這個(gè)鎖時(shí)蕊肥，偏向模式宣告結(jié)束。根據(jù)鎖對(duì)象目前是否處于被鎖定的狀態(tài)蛤肌，撤銷偏向后恢復(fù)到未鎖定（01）或輕量級(jí)鎖定（00）的狀態(tài)壁却，后續(xù)的同步操作就如下面介紹的輕量級(jí)鎖那樣執(zhí)行。

偏向鎖可以提高帶有同步但無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的程序性能裸准。

如果程序中大多數(shù)的鎖總是被多個(gè)不同的線程訪問展东，那偏向模式就是多余的。

3.4 輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用CAS操作消除同步使用的互斥量炒俱，偏向鎖是在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)情況下把整個(gè)同步都消除掉盐肃，連CAS操作都不做了。

輕量級(jí)鎖是相對(duì)于使用操作系統(tǒng)的互斥量來實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)鎖而言的权悟。

輕量級(jí)鎖并不是用來代替重量級(jí)鎖的砸王，它的本意是在沒有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能損耗峦阁。

HotSpot虛擬機(jī)的對(duì)象頭（Object Header）分為兩部分信息：

1. 一部分存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)谦铃，如哈希碼、GC分代年齡等榔昔，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度在32位和64位的虛擬機(jī)中分別為32bit和64bit驹闰，官方稱之為Mark Word凿跳。這是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵。
2. 另一部分存儲(chǔ)指向方法區(qū)對(duì)象類型數(shù)據(jù)的指針疮方，如果是數(shù)組對(duì)象的話控嗜，還會(huì)有一個(gè)額外的部分用于存儲(chǔ)數(shù)組長(zhǎng)度。

HotSpot虛擬機(jī)對(duì)象頭Mark Word見下表：

輕量級(jí)鎖的執(zhí)行過程：

在代碼進(jìn)入同步塊時(shí)壁顶，如果此同步對(duì)象沒有被鎖定（01，鎖標(biāo)志位的狀態(tài)）溜歪，虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間若专，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word拷貝，官方稱為Displaced Mark Word蝴猪。此時(shí)線程堆棧與對(duì)象頭轉(zhuǎn)態(tài)如下圖：

輕量級(jí)鎖的執(zhí)行過程1

然后调衰，虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針。如果這個(gè)動(dòng)作更新成功了自阱，那么這個(gè)線程就擁有了該對(duì)象的鎖嚎莉，并且對(duì)象Mark Word的鎖標(biāo)志位變?yōu)?0，表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)沛豌，這時(shí)候線程堆棧與對(duì)象頭的狀態(tài)如下圖：

輕量級(jí)鎖的執(zhí)行過程2

如果這個(gè)更新操作失敗了趋箩，虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是說明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖加派，那就可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)進(jìn)行叫确，否則說明這個(gè)鎖對(duì)象被其他線程搶占了。如果有兩條以上的線程爭(zhēng)用同一個(gè)鎖芍锦，那輕量級(jí)鎖就不再有效竹勉，要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)?0醉旦，Mark Word中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖（互斥量）的指針饶米，后面等待鎖的線程也要進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

輕量級(jí)鎖的解鎖過程也是通過CAS操作來進(jìn)行的车胡。如果對(duì)象的Mark Word仍然指向著線程的鎖記錄檬输，那就用CAS操作把對(duì)象當(dāng)前的Mark Word和線程中復(fù)制的Dislaced Mark Word替換回來，如果替換成功匈棘，整個(gè)同步過程就完成了丧慈。如果替換失敗，說明有其他線程嘗試過獲取該鎖，就要在釋放鎖的同時(shí)逃默，喚醒被掛起的線程鹃愤。

輕量級(jí)鎖能提升程序同步性能的依據(jù)是：對(duì)于大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都是不存在競(jìng)爭(zhēng)的完域。這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)软吐。

如果沒有競(jìng)爭(zhēng)，輕量級(jí)鎖使用CAS操作避免了使用互斥量的開銷吟税，但如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)凹耙，除了互斥量的開銷外，還額外發(fā)生了CAS操作肠仪，因此在有競(jìng)爭(zhēng)的情況下肖抱，輕量級(jí)鎖會(huì)比傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖更慢。

3.5 自旋鎖與自適應(yīng)自旋

在許多應(yīng)用上异旧，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短的一端時(shí)間意述。可以讓后面請(qǐng)求鎖的線程“稍等一下”吮蛹，但不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間荤崇，看看持有鎖的線程是否很快就會(huì)釋放鎖。為了讓線程等待匹涮，只需讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋）天试，這項(xiàng)技術(shù)就是自旋鎖槐壳。

如果鎖被占用的時(shí)間很短然低，自旋等待的效果就會(huì)非常好。反之务唐，如果鎖被占用的時(shí)間很長(zhǎng)雳攘，那么自旋的線程只會(huì)白白消耗處理器資源，而不會(huì)做任何有用的工作枫笛，反而帶來性能上的浪費(fèi)吨灭。

自適應(yīng)自旋意味著自旋的時(shí)間不固定，由虛擬機(jī)自己根據(jù)監(jiān)控信息調(diào)整刑巧。

4. 附件

輕量級(jí)鎖.vsdx