本篇將介紹線程安全所涉及的概念和分類横腿、同步實(shí)現(xiàn)的方式及虛擬機(jī)的底層運(yùn)作原理，以及虛擬機(jī)為了實(shí)現(xiàn)高效并發(fā)所采取的一系列鎖優(yōu)化措施咳短。

• 概述
• 線程安全
• 鎖優(yōu)化

1.概述

在要點(diǎn)提煉| 理解JVM之內(nèi)存模型&線程中主要介紹了虛擬機(jī)如何實(shí)現(xiàn)『并發(fā)』倒源，現(xiàn)在的關(guān)注點(diǎn)是虛擬機(jī)如何實(shí)現(xiàn)『高效』攘蔽。

2.線程安全

在實(shí)現(xiàn)高效之前隶症，首先需要保證并發(fā)的正確性政模，因此本節(jié)先介紹線程安全。

a.定義：當(dāng)多個(gè)線程訪問一個(gè)對(duì)象時(shí)蚂会，如果不用考慮這些線程在運(yùn)行時(shí)環(huán)境下的調(diào)度和交替執(zhí)行淋样，也不需要進(jìn)行額外的同步，或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其他的協(xié)調(diào)操作胁住，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都可以獲得正確的結(jié)果习蓬，那這個(gè)對(duì)象是線程安全的。

要求線程安全的代碼都必須具備一個(gè)特征：
代碼本身封裝了所有必要的正確性保障手段（如互斥同步等）措嵌，令調(diào)用者無須關(guān)心多線程的問題，更無須自己采取任何措施來保證多線程的正確調(diào)用芦缰。

b.分類：按照線程安全的程度由強(qiáng)至弱分成五類

• 不可變：外部的可見狀態(tài)永遠(yuǎn)不會(huì)改變企巢，在多個(gè)線程之中永遠(yuǎn)是一致的狀態(tài)。
  • 一定是線程安全的
  • 如何實(shí)現(xiàn)：
    • 如果共享數(shù)據(jù)是一個(gè)基本數(shù)據(jù)類型让蕾，只要在定義時(shí)用final關(guān)鍵字修飾浪规；
    • 如果共享數(shù)據(jù)是一個(gè)對(duì)象，最簡單的方法是把對(duì)象中帶有狀態(tài)的變量都聲明為final探孝。
• 絕對(duì)線程安全：完全滿足之前給出的線程安全的定義笋婿，即達(dá)到“不管運(yùn)行時(shí)環(huán)境如何，調(diào)用者都不需要任何額外的同步措施”顿颅。
• 相對(duì)線程安全：能保證對(duì)該對(duì)象單獨(dú)的操作是線程安全的缸濒，在調(diào)用時(shí)無需做額外保障措施，但對(duì)于一些特定順序的連續(xù)調(diào)用粱腻，可能需要在調(diào)用端使用額外的同步措施來保證調(diào)用的正確性庇配。
  • 是通常意義上所講的線程安全
  • 大部分的線程安全類都屬于這種類型，如Vector绍些、HashTable捞慌、Collections#synchronizedCollection()包裝的集合...
  • 有關(guān)實(shí)現(xiàn)在下一小節(jié)細(xì)說。
• 線程兼容：對(duì)象本身非線程安全的柬批，但可以通過在調(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啸澡，
  • 是通常意義上所講的非線程安全
  • Java API中大部分類都是屬于線程兼容的袖订，如ArrayList和HashMap...
• 線程對(duì)立：無論調(diào)用端是否采取了同步措施，都無法在多線程環(huán)境中并發(fā)使用的代碼嗅虏。

c.線程安全的實(shí)現(xiàn)

可分成兩大手段洛姑，本篇重點(diǎn)在虛擬機(jī)本身

• 通過代碼編寫實(shí)現(xiàn)線程安全
• 通過虛擬機(jī)本身實(shí)現(xiàn)同步與鎖

①互斥同步(Mutual Exclusion＆Synchronization）

• 含義：
  • 同步：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)線程使用旋恼。
  • 互斥：是實(shí)現(xiàn)同步的一種手段吏口，臨界區(qū)（Critical Section）、互斥量（Mutex）和信號(hào)量（Semaphore）都是主要的互斥實(shí)現(xiàn)方式冰更。

互斥是因产徊，同步是果；互斥是方法蜀细，同步是目的舟铜。

• 屬于悲觀并發(fā)策略，即認(rèn)為只要不做正確的同步措施就肯定會(huì)出現(xiàn)問題奠衔，因此無論共享數(shù)據(jù)是否真的會(huì)出現(xiàn)競爭谆刨，都要加鎖。
• 最大的問題是進(jìn)行線程阻塞和喚醒所帶來的性能問題归斤，也稱為阻塞同步（Blocking Synchronization）
• 手段：
  • 使用synchronized關(guān)鍵字：
    • 原理：編譯后會(huì)在同步塊的前后分別形成monitorenter和monitorexit這兩個(gè)字節(jié)碼指令痊夭，并通過一個(gè)reference類型的參數(shù)來指明要鎖定和解鎖的對(duì)象。若明確指定了對(duì)象參數(shù)脏里，則取該對(duì)象的reference她我；否則，會(huì)根據(jù)synchronized修飾的是實(shí)例方法還是類方法去取對(duì)應(yīng)的對(duì)象實(shí)例或Class對(duì)象來作為鎖對(duì)象迫横。
    • 過程：執(zhí)行monitorenter指令時(shí)先要嘗試獲取對(duì)象的鎖番舆。若該對(duì)象沒被鎖定或者已被當(dāng)前線程獲取，那么鎖計(jì)數(shù)器+1矾踱；而在執(zhí)行monitorexit指令時(shí)恨狈，鎖計(jì)數(shù)器-1；當(dāng)鎖計(jì)數(shù)器=0時(shí)呛讲，鎖就被釋放禾怠；若獲取對(duì)象鎖失敗，那當(dāng)前線程會(huì)一直被阻塞等待贝搁，直到對(duì)象鎖被另外一個(gè)線程釋放為止刃宵。
    • 特別注意： synchronized同步塊對(duì)同一條線程來說是可重入的，不會(huì)出現(xiàn)自我鎖死的問題徘公；還有牲证，同步塊在已進(jìn)入的線程執(zhí)行完之前，會(huì)阻塞后面其他線程的進(jìn)入关面。
  • 使用重入鎖ReentrantLock：
    • 相同：用法與synchronized很相似坦袍，且都可重入十厢。
    • 與synchronized的不同：
      • 等待可中斷：當(dāng)持有鎖的線程長期不釋放鎖的時(shí)候，正在等待的線程可以選擇放棄等待捂齐，改為處理其他事情蛮放。
      • 公平鎖：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奠宜。而synchronized是非公平的包颁，即在鎖被釋放時(shí)，任何一個(gè)等待鎖的線程都有機(jī)會(huì)獲得鎖压真。ReentrantLock默認(rèn)情況下也是非公平的娩嚼，但可以通過帶布爾值的構(gòu)造函數(shù)改用公平鎖。
      • 鎖綁定多個(gè)條件：一個(gè)ReentrantLock對(duì)象可以通過多次調(diào)用newCondition()同時(shí)綁定多個(gè)Condition對(duì)象滴肿。而在synchronized中岳悟，鎖對(duì)象的wait()和notify()或notifyAl()只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)隱含的條件，若要和多于一個(gè)的條件關(guān)聯(lián)不得不額外地添加一個(gè)鎖泼差。
    • 選擇：在synchronized能實(shí)現(xiàn)需求的情況下贵少，優(yōu)先考慮使用它來進(jìn)行同步。下兩張圖是兩者在不同處理器上的吞吐量對(duì)比堆缘。

②非阻塞同步（Non-Blocking Synchronization）：

• 基于沖突檢測的樂觀并發(fā)策略滔灶，即先進(jìn)行操作，若無其他線程爭用共享數(shù)據(jù)吼肥，操作成功宽气；反之產(chǎn)生了沖突再去采取其他的補(bǔ)償措施。
• 為了保證操作和沖突檢測這兩步具備原子性潜沦，需要用到硬件指令集，比如：
  • 測試并設(shè)置（Test-and-Set）
  • 獲取并增加（Fetch-and-Increment）
  • 交換（Swap）
  • 比較并交換（Compare-and-Swap,CAS）
  • 加載鏈接/條件存儲(chǔ)（Load-Linked/Store-Conditional,LL/SC）

③無同步方案

• 定義：不用同步的方式保證線程安全绪氛，因?yàn)橛行┐a天生就是線程安全的唆鸡。下面舉兩個(gè)例子：
• ①可重入代碼（Reentrant Code）/純代碼（Pure Code）
  • 含義：可在代碼執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷它去執(zhí)行另外一段代碼，當(dāng)控制權(quán)返回后原來的程序并不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤枣察。
  • 共同特征：不依賴存儲(chǔ)在堆上的數(shù)據(jù)和公用的系統(tǒng)資源争占、用到的狀態(tài)量都由參數(shù)中傳入、不調(diào)用非可重入的方法...
  • 判定依據(jù)：如果一個(gè)方法序目，它的返回結(jié)果是可預(yù)測的臂痕，只要輸入相同的數(shù)據(jù)就都能返回相同的結(jié)果，就滿足可重入性猿涨。

滿足可重入性的代碼一定是線程安全的握童，反之，滿足線程安全的代碼不一定是可重入的叛赚。

• ②線程本地存儲(chǔ)（Thread Local Storage）
  • 含義：把共享數(shù)據(jù)的可見范圍限制在同一個(gè)線程之內(nèi)澡绩，無須同步就能保證線程之間不出現(xiàn)數(shù)據(jù)爭用的問題稽揭。
  • 使用ThreadLocal類可實(shí)現(xiàn)線程本地存儲(chǔ)的功能：每個(gè)線程的Thread對(duì)象中都有一個(gè)ThreadLocalMap對(duì)象，它存儲(chǔ)了一組以ThreadLocal.threadLocalHashCode為key肥卡、以本地線程變量為value的鍵值對(duì)溪掀，而ThreadLocal對(duì)象就是當(dāng)前線程的ThreadLocalMap的訪問入口，也就包含了一個(gè)獨(dú)一無二的threadLocalHashCode值步鉴，通過這個(gè)值就可以在線程鍵值值對(duì)中找回對(duì)應(yīng)的本地線程變量揪胃。

3.鎖優(yōu)化

解決并發(fā)的正確性之后，為了能在線程之間更『高效』地共享數(shù)據(jù)氛琢、解決競爭問題喊递、提高程序的執(zhí)行效率，下面介紹五種鎖優(yōu)化技術(shù)艺沼。

a.適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）

• 背景：互斥同步在實(shí)現(xiàn)阻塞和喚醒時(shí)需要掛起線程和恢復(fù)線程的操作册舞，都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成，很影響系統(tǒng)的并發(fā)性能障般；同時(shí)调鲸，在許多應(yīng)用上共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)只是暫時(shí)，沒必要去掛起和恢復(fù)線程挽荡。
• 自旋鎖：當(dāng)物理機(jī)器有多個(gè)處理器使得多個(gè)線程同時(shí)并行執(zhí)行時(shí)藐石，先讓后請(qǐng)求鎖的線程等待，但不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間定拟，看看持有鎖的線程是否很快就會(huì)釋放鎖于微，這時(shí)只需讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)，即自旋青自。
  • 注意：自旋等待不能代替阻塞株依，它雖然能避免線程切換的開銷，但會(huì)占用處理器時(shí)間延窜，因此自旋等待的時(shí)間必須要有一定的限度恋腕，如果自旋超過了限定的次數(shù)仍未成功獲鎖，就需要掛線程了逆瑞。
• 自適應(yīng)自旋鎖：自旋的時(shí)間不再固定荠藤，而是由該鎖上的上次自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)共同決定。具體表現(xiàn)是：
  • 如果對(duì)于某個(gè)鎖获高，自旋等待剛剛成功獲得哈肖，且持有鎖的線程正在運(yùn)行中，那么虛擬機(jī)很可能允許自旋等待的時(shí)間更久點(diǎn)念秧。
  • 如果對(duì)于某個(gè)鎖淤井，自旋很少成功獲得過，那么很可能以后將省略自旋等待這個(gè)鎖，避免浪費(fèi)處理器資源庄吼。

b.鎖消除（Lock Elimination）

• 鎖消除：指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)缎除，對(duì)一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭的鎖進(jìn)行消除总寻。
• 判定依據(jù)：如果一段代碼中堆上的所有數(shù)據(jù)都不會(huì)逃逸出去被其他線程訪問到器罐，可把它們當(dāng)做棧上數(shù)據(jù)對(duì)待，即線程私有的渐行，無須同步加鎖轰坊。

c.鎖粗化（Lock Coarsening）

一般情況下，會(huì)將同步塊的作用范圍限制到只在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步祟印，使得需要同步的操作數(shù)量盡可能變小肴沫，保證就算存在鎖競爭，等待鎖的線程也能盡快拿到鎖蕴忆。

但如果反復(fù)操作對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行加鎖和解鎖颤芬，即使沒有線程競爭，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套鹅，此時(shí)站蝠，虛擬機(jī)將會(huì)把加鎖同步的范圍粗化到整個(gè)操作序列的外部，這樣只需加一次鎖卓鹿。

d.輕量級(jí)鎖（Lightweight Locking）

• 目的：在沒有多線程競爭的前提下菱魔，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗，注意不是用來代替重量級(jí)鎖的吟孙。

首先先理解HotSpot虛擬機(jī)的對(duì)象頭的內(nèi)存布局：分為兩部分

• 第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)澜倦，這部分被稱為Mark Word，是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵杰妓。如哈希碼藻治、GC分代年齡等。
• 另外一部分用于存儲(chǔ)指向方法區(qū)對(duì)象類型數(shù)據(jù)的指針巷挥，如果是數(shù)組對(duì)象還會(huì)有一個(gè)額外的部分用于存儲(chǔ)數(shù)組長度桩卵。

• 加鎖過程：代碼進(jìn)入同步塊時(shí)，如果同步對(duì)象未被鎖定（鎖標(biāo)志位為01）句各，虛擬機(jī)會(huì)在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為Lock Record的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象Mark Word的拷貝晴叨。如下圖凿宾。

之后虛擬機(jī)會(huì)嘗試用CAS操作將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針。若更新動(dòng)作成功兼蕊，那么當(dāng)前線程就擁有了該對(duì)象的鎖初厚，且對(duì)象Mark Word的鎖標(biāo)志位變?yōu)?code>00，即處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)；反之产禾，虛擬機(jī)會(huì)先檢查對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀排作，若當(dāng)前線程已有該對(duì)象的鎖，可直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行亚情，否則說明改對(duì)象已被其他線程搶占妄痪。如下圖。

另外楞件，如果有兩條以上的線程爭用同一個(gè)鎖衫生，那輕量級(jí)鎖就不再有效，要膨脹為重量級(jí)鎖土浸，鎖標(biāo)志位變?yōu)?code>10罪针，Mark Word中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖的指針，后面等待鎖的線程也要進(jìn)入阻塞狀態(tài)黄伊。

• 解鎖過程：若對(duì)象的Mark Word仍指向著線程的Lock Record泪酱，就用CAS操作把對(duì)象當(dāng)前的Mark Word和線程中復(fù)制的Displaced Mark Word替換回來。若替換成功还最，那么就完成了整個(gè)同步過程墓阀；反之，說明有其他線程嘗試獲取該鎖憋活，那么就要在釋放鎖的同時(shí)喚醒被掛起的線程岂津。
• 優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)閷?duì)于絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都是不存在競爭的悦即，所以輕量級(jí)鎖通過使用CAS操作消除同步使用的互斥量吮成。

e.偏向鎖（Biased Locking）

• 目的：消除數(shù)據(jù)在無競爭情況下的同步原語，進(jìn)一步提高程序的運(yùn)行性能辜梳。
• 含義：偏向鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程粱甫，如果在后面的執(zhí)行中該鎖沒有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要再進(jìn)行同步作瞄。
• 加鎖過程：啟用偏向鎖的鎖對(duì)象在第一次被線程獲取時(shí)茶宵，Mark Word的鎖標(biāo)志位會(huì)被設(shè)置為01，即偏向模式宗挥，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中乌庶。若操作成功，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)都可不再進(jìn)行任何同步操作契耿。
• 解鎖過程：當(dāng)有另外的線程去嘗試獲取這個(gè)鎖時(shí)瞒大，根據(jù)鎖對(duì)象目前是否處于被鎖定的狀態(tài)，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)搪桂，后續(xù)的同步操作就如輕量級(jí)鎖執(zhí)行過程透敌。如下圖。

• 優(yōu)點(diǎn)：可提高帶有同步但無競爭的程序性能，但若程序中大多數(shù)鎖總被多個(gè)線程訪問酗电，此模式就沒必要了魄藕。