并發(fā)處理的廣泛應(yīng)用是使得Amdahl定律代替摩爾定律成為計(jì)算機(jī)性能發(fā)展源動力的根本原因勘究，也是人類“壓榨”計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的最有力武器乱顾。
這幾天比較低沉走净。無論是天氣還是心情伏伯。不過今天在睡了一整天之后總算是“活”過來了。而且心態(tài)也調(diào)整過來了捌袜，決定把之前寫的這個(gè)深入JVM系列寫完说搅。其實(shí)也不過剩下最后一章，就是本文的線程安全與鎖優(yōu)化虏等。這本書其實(shí)讀的沒有多精細(xì)弄唧，通篇讀下來還是有一部分是沒有理解的。然后我著重記憶的也都是考點(diǎn)霍衫，或者說經(jīng)常提到或者用到的候引。我經(jīng)常說自己是考試前夕的學(xué)生敦跌。頭懸梁錐刺股為的也不過是及格澄干。有時(shí)候挺討厭這樣的自己的。閑話少敘柠傍，看文章內(nèi)容吧麸俘。
概述
書中概述的內(nèi)容較多。從面向過程的編程思想到面向?qū)ο蟮木幊趟枷刖宓选ｋm然我們的整體變成已經(jīng)進(jìn)步了很多从媚。但是整體的思路是沒有變的。這句話我在以前也提過：先實(shí)現(xiàn)患整，再優(yōu)化静檬。
書中原文：
有時(shí)候，良好的設(shè)計(jì)原則不得不向現(xiàn)實(shí)做出一些讓步并级，我們必須讓程序在計(jì)算機(jī)正確無誤地運(yùn)行拂檩，然后再考慮如何將代碼組織得更好，讓程序運(yùn)行得更快嘲碧。對于這部分的主題 “高效并發(fā)” 來將稻励，首先需要保證并發(fā)的正確性，然后在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效。本章先從如何保證并發(fā)的正確性和如何實(shí)現(xiàn)線程安全講起望抽。
線程安全
“線程安全”這個(gè)名稱加矛，很多人都會聽說過，甚至在戴拿編寫和走查的時(shí)候可能還會經(jīng)常掛在嘴邊煤篙。但是如何找到一個(gè)不太拗口的概念來定義線程安全卻不是一個(gè)容易的事情斟览。
網(wǎng)上的定義“如果一個(gè)對象可以安全的被多個(gè)線程同時(shí)使用，那么他就是線程安全的”辑奈。在書中還有Brian Goetz對線程安全的定義：“當(dāng)多個(gè)線程訪問一個(gè)對象時(shí)苛茂，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，也不需要進(jìn)行額外的同步鸠窗，或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其他的協(xié)調(diào)工作妓羊。調(diào)用這個(gè)對象的行為都可以獲得正確的結(jié)果，那這個(gè)對象是線程安全的”稍计。
其實(shí)總而言之躁绸，就是使用這個(gè)對象不用考慮多線程問題，更沒必要采取措施保證多線程的調(diào)用臣嚣。這個(gè)對象就是線程安全的净刮。
java語言中的線程安全
我們按照線程安全的“安全程度”由強(qiáng)到弱排序，分成五類：不可變硅则，絕對線程安全淹父，相對線程安全，線程兼容和線程對立抢埋。
-
不可變： 在java語言中不可變的對象一定是線程安全的。無論是對象的方法實(shí)現(xiàn)還是方法的調(diào)用者督暂，都不需要采取任何的線程安全保障措施揪垄。 java語言中，共享數(shù)據(jù)是一個(gè)基本數(shù)據(jù)類型逻翁，只要在定義時(shí)加上final關(guān)鍵字就可以保證它是不可變的饥努。如果共享數(shù)據(jù)是一個(gè)對象，我們要保證對象的行為不會對其狀態(tài)產(chǎn)生任何影響八回。（可以想想string類型酷愧。調(diào)用它的substring（），replace（）等都不影響它本來的值）
保證對象行為不影響自己狀態(tài)的途徑有好多缠诅。最簡單的就是把對象的屬性都設(shè)置為final（書中說的是把對象的帶有狀態(tài)的變量都聲明為final溶浴。這樣在構(gòu)造函數(shù)結(jié)束以后，他就是不可變的管引。我理解就是所有屬性都是final士败。如果我說錯(cuò)了歡迎大家指出來）。 -
絕對線程安全：絕對線程安全就能滿足上面我們對線程安全的定義。其實(shí)這個(gè)定義很嚴(yán)格的谅将。在java API中很多標(biāo)注自己是線程安全的類其實(shí)都不是絕對的線程安全漾狼。
我們都知道java.util.Vector是一個(gè)線程安全的容器。因?yàn)樗腶dd（）饥臂，get（）逊躁，size（）這類方法都是被synchronized修飾的，雖然這樣效率很低隅熙，但是確實(shí)是安全的稽煤。但是即使他的所有的方法都是同步的，也不意味著調(diào)用它的時(shí)候永遠(yuǎn)都不需要同步手段了猛们。
package demo;
import java.util.Vector;
public class VectorDemo {
//首先創(chuàng)建一個(gè)vector的對象念脯。
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() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
vector.remove(i);
}
}
});
Thread printThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
System.out.println(vector.get(i));
}
}
});
removeThread.start();
printThread.start();
//這個(gè)書上說線程過多會操作系統(tǒng)假死。
while (Thread.activeCount() > 20);
}
}
}
講一下上面的代碼弯淘，我跑了不到五分鐘绿店，然后報(bào)錯(cuò)java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException。集合下標(biāo)越界庐橙。其實(shí)就是刪除和打印最后沖突了假勿。書中說的解決辦法就是把線程中的for循環(huán)前面加上線程鎖。改成如下這樣
package demo;
import java.util.Vector;
public class VectorDemo {
//首先創(chuàng)建一個(gè)vector的對象态鳖。
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() {
@Override
public void run() {
synchronized(vector) {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
vector.remove(i);
}
}
}
});
Thread printThread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized(vector) {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
System.out.println(vector.get(i));
}
}
}
});
removeThread.start();
printThread.start();
//這個(gè)書上說線程過多會操作系統(tǒng)假死转培。
while (Thread.activeCount() > 20);
}
}
}
- 相對線程安全：相對線程安全才是我們通常意義上所講的線程安全。它需要保證對這個(gè)對象的單獨(dú)操作是線程安全的浆竭，我們不需要做額外的保證措施浸须。但是對一些特定順序的連續(xù)調(diào)用，需要在調(diào)用段使用額外的同步手段來保證調(diào)用的正確性邦泄。上面vector的代碼就是這種删窒。
- 線程兼容：線程兼容值對象本身不是線程安全的，但是可以通過在調(diào)用端正確的使用同步手段來保證對象在并發(fā)環(huán)境中可以安全的使用顺囊。我們平常說的一個(gè)類不是線程安全的肌索，絕大多數(shù)就是這種情況。比如ArrayList和HashMap特碳。
-
線程對立：指無論是夠采用同步措施诚亚，都無法在多線程環(huán)境中并發(fā)使用的代碼。
比如Thread的suspend（）和resume（）方法午乓，同時(shí)使用很容易產(chǎn)生死鎖站宗。
線程安全的實(shí)現(xiàn)方法
互斥同步：互斥同步是一種常見的并發(fā)正確性保障手段。同步是指在多個(gè)線程并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)時(shí)益愈，保證共享數(shù)據(jù)在同一個(gè)時(shí)刻只被一個(gè)線程使用份乒。而互斥則是實(shí)現(xiàn)同步的一種手段。在這四個(gè)字中，互斥是因或辖，同步是果瘾英。互斥是手段颂暇，同步是目的缺谴。
java語言中最基本的互斥同步手段就是synchronized。
synchronized有兩點(diǎn)需要注意：- synchronized同步塊對同一個(gè)線程可重復(fù)入耳鸯。
- synchronized同步塊在已進(jìn)入的線程執(zhí)行完畢之前會阻塞其他的線程湿蛔。
然后因?yàn)榫€程阻塞或喚醒一個(gè)線程很消耗性能，所以 synchronized在java中是一個(gè)重量級的操作县爬。
除了 synchronized以外阳啥，還可以用java.util.concurrent包中的重入鎖實(shí)現(xiàn)同步，基本用法上财喳，ReentrantLock和 synchronized很相似察迟。都具備同一個(gè)線程可重入。并且相比 synchronized耳高，ReentrantLock增加了一些高級功能扎瓶。主要有：
-
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泌枪，改為處理其他事情概荷，可中斷特性對處理執(zhí)行時(shí)間非常長的同步塊很有幫助。 -
可實(shí)現(xiàn)公平鎖
多個(gè)線程在等待同一個(gè)鎖時(shí)碌燕，必須按照申請鎖的時(shí)間順序來依次獲得鎖误证；而非公平鎖則不保證這一點(diǎn)，在鎖被釋放時(shí)修壕，任何一個(gè)等待鎖的線程都有機(jī)會獲得鎖愈捅。
synchronized 中的鎖是非公平的，ReentrantLock 默認(rèn)情況下也是非公平的叠殷，但可以通過帶布爾值的構(gòu)造函數(shù)要求使用公平鎖改鲫。 -
鎖可以綁定多個(gè)條件
一個(gè) ReentrantLock 對象可以同時(shí)綁定多個(gè) Condition 對象诈皿，而在 synchronized 中林束，鎖對象的 wait() 和 notify() 或 notifyAll() 方法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)隱含的條件，如果要和多于一個(gè)的條件關(guān)聯(lián)的時(shí)候稽亏，就不得不額外添加一個(gè)鎖壶冒，而 ReentrantLock 則無須這樣做，只需要多次調(diào)用 newCondition() 方法即可截歉。
（我個(gè)人感覺就是ReentrantLock 比較靈活胖腾，可中斷，可排隊(duì)，可有多個(gè)鎖條件）
然后書中還有兩個(gè)鎖的性能對比咸作。但是是jdk1.5和1.6的锨阿。然后書中也說了synchronized在不斷優(yōu)化。1.6的時(shí)候兩者性能就持平了记罚。我覺得目前的開發(fā)都是1.6以上墅诡，所以就不額外說這個(gè)了。
-
非阻塞同步：互斥同步最主要的問題就是線程阻塞和喚醒帶來的性能問題桐智。因此這個(gè)也叫做阻塞同步末早。從處理問題的方式來說，互斥同步屬于悲觀鎖说庭。而接下來要說的則屬于樂觀鎖然磷。
通俗地說，就是先進(jìn)行操作刊驴，如果沒有其他線程爭用共享數(shù)據(jù)姿搜，那操作就成功了；如果共享數(shù)據(jù)有爭用缺脉，產(chǎn)生了沖突痪欲，那就再采取其他的補(bǔ)償措施（最常見的補(bǔ)償措施就是不斷地重試，知道成功為止）攻礼，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业踢，因此這種同步操作稱為非阻塞同步。
書中用到了以前volatile的例子(我再次貼出來防止大家忘記了礁扮。)知举。
package demo;
public class VolatileDemo {
private static volatile int num = 0;
public static void add() {
num++;
}
public static void main(String[] args) {
Thread[] threads = new Thread[20];
for (Thread thread : threads) {
thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
add();
}
}
});
thread.start();
}
while (Thread.activeCount()>1)
Thread.yield();
System.out.println(num);
}
}
當(dāng)時(shí)運(yùn)行的結(jié)果怎么都不是20w。因?yàn)閚um++這個(gè)操作不是原子性的太伊。在jvm運(yùn)行時(shí)會拆成三個(gè)指令雇锡。而我們?nèi)绻氡ＷC得到的是20w則要保證自增的原子性。用num.incrementAndGet()代替num++僚焦。
下面是incrementAndGet() 方法的 JDK 源碼:
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
incrementAndGet() 方法在一個(gè)無限循環(huán)中锰提，不斷嘗試將一個(gè)比當(dāng)前值大 1 的新值賦給自己。如果失敗了芳悲，那說明在執(zhí)行 “獲取-設(shè)置” 操作的時(shí)候值已經(jīng)有了修改立肘，于是再次循環(huán)進(jìn)行下一次操作，直到設(shè)置成功為止名扛。其實(shí)這個(gè)方法也有一個(gè)問題谅年。一個(gè)變量初次讀取是A，檢查賦值的時(shí)候也是A肮韧。但是能確定它的值沒被改過融蹂？
-
無同步方案：有一些類不需要同步就可以保證線程安全旺订。
簡單的介紹兩個(gè)類：
- 可重入代碼：也叫純代碼。就是任何時(shí)刻中斷執(zhí)行別的代碼在控制權(quán)回來之后還可以正確運(yùn)行超燃。所有可重入代碼都是線程安全的区拳。但是并非所有線程安全的代碼都是可重入的。
可重入代碼有一些共同的特征意乓，例如不依賴存儲在堆上的數(shù)據(jù)和公用的系統(tǒng)資源劳闹、用到的狀態(tài)量都由參數(shù)中傳入、不調(diào)用非可重入的方法等洽瞬。我們可以通過一個(gè)簡單的原則來判斷代碼是否具備可重入性：如果一個(gè)方法本涕，它的返回結(jié)果是可以預(yù)測的，只要輸入了相同的數(shù)據(jù)伙窃，就都能返回相同的結(jié)果菩颖，那它就滿足可重入性的要求，當(dāng)然也就是線程安全的为障。 - 線程本地存儲：如果一段代碼中所需要的數(shù)據(jù)必須與其他代碼共享晦闰，那就看看這些共享數(shù)據(jù)的代碼是否能保證在同一個(gè)線程中執(zhí)行？如果能保證鳍怨，我們就可以把共享數(shù)據(jù)的可見范圍限制在同一個(gè)線程之內(nèi)呻右，這樣，無須同步也能保證線程之間不出現(xiàn)數(shù)據(jù)爭用的問題鞋喇。
鎖優(yōu)化
-
自旋鎖與自適應(yīng)自旋
互斥同步最大的消耗是線程阻塞和喚醒声滥。同時(shí)，虛擬機(jī)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)也注意到在許多應(yīng)用上侦香，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)只會持續(xù)很短的一段時(shí)間落塑，為了這段時(shí)間去掛起和恢復(fù)線程并不值得。
如果物理機(jī)器有一個(gè)以上的處理器罐韩，能讓兩個(gè)或以上的線程同時(shí)并行執(zhí)行憾赁，我們就可以讓后面請求鎖的那個(gè)線程 “稍等一下”，但不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間散吵，看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖龙考。為了讓線程等待，我們只需讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋）矾睦，這項(xiàng)技術(shù)就是所謂的自旋鎖晦款。
自適應(yīng)的自旋鎖。意味著自旋的時(shí)間不再固定了顷锰，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定柬赐。這個(gè)具體的時(shí)間算法有點(diǎn)復(fù)雜亡问，但是都由虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)官紫，所有我這里就不多說了肛宋。畢竟我自己看了幾遍都懵。這里只是簡單的了解束世。 -
鎖消除
鎖消除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)酝陈，對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)行消除毁涉。這個(gè)其實(shí)我感覺是虛擬機(jī)的優(yōu)化沉帮，和我們本身的關(guān)系。贫堰。就跟語法糖似的穆壕，知道不知道我們編寫代碼的時(shí)候都是差不多沒影響的。 -
鎖粗化
原則上其屏，我們在編寫代碼的時(shí)候喇勋，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)量盡可能變小偎行，如果存在鎖競爭川背，那等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。
大部分情況下蛤袒，上面的原則都是正確的熄云，但是如果一系列的連續(xù)操作都對同一個(gè)對象反復(fù)加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現(xiàn)在循環(huán)體中妙真，那即使沒有線程競爭缴允，頻繁地進(jìn)行互斥同步操作也會導(dǎo)致不必要的性能損耗。如果虛擬機(jī)探測到這種情況珍德，會把加鎖同步的范圍擴(kuò)展（粗化）到整個(gè)操作序列的外部癌椿。 -
偏向鎖
其實(shí)這個(gè)概念挺好玩的。
偏向鎖的 “偏”菱阵，就是偏心的 “偏”踢俄、偏袒的 “偏”，它的意思是這個(gè)鎖會偏向于第一個(gè)獲得它的線程晴及，如果在接下來的執(zhí)行過程中都办，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)行同步虑稼。
打個(gè)比方琳钉，你父母就一個(gè)孩子，那么什么都是你的蛛倦，眼里心里都是你歌懒。但是如果沒有二胎會一直這么下去。但是假如有了二胎溯壶，這種偏心立刻沒了及皂！這個(gè)鎖也是這樣甫男。
當(dāng)鎖對象第一次被線程獲取的時(shí)候，虛擬機(jī)將會把對象頭中的標(biāo)志位設(shè)為 “01”验烧，即偏向模式板驳。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)行如何同步操作碍拆。當(dāng)有另外一個(gè)線程去嘗試獲取這個(gè)鎖時(shí)若治，偏向模式就宣告結(jié)束。根據(jù)鎖對象目前是否處于被鎖定的狀態(tài)感混，撤銷偏向后恢復(fù)到未鎖定或輕量級鎖定的狀態(tài)端幼。（ps：這里有個(gè)輕量級鎖我沒寫。因?yàn)榭戳税胩爝€沒太理解弧满。等我理解了再補(bǔ)充上來）
然后到此静暂，深入理解java虛擬機(jī)這本書就看完了。其實(shí)心情很復(fù)雜谱秽，有著看完一本書的驕傲和自豪洽蛀，也有著遺憾和可惜。我一直講敲代碼是樂趣疟赊。學(xué)習(xí)一些知識也是郊供。但是如此的填鴨式學(xué)習(xí)，死記硬背加上刪刪減減近哟，我自己都覺得是對知識的不尊重驮审。可是然后呢吉执？聊一下題外話疯淫，最近的面試遇到過各種各樣的問題，簡單的戳玫，基礎(chǔ)的熙掺，重要的，核心的咕宿，奇葩的币绩，超預(yù)計(jì)的。也心里不平衡過府阀，覺得問的什么狗屁問題缆镣！也自卑過，驚訝于自己很多基礎(chǔ)都不扎實(shí)试浙，應(yīng)該會的問題都沒說清董瞻。不過學(xué)海無涯。我覺得應(yīng)該堅(jiān)持一下自己的一直以來的態(tài)度：多學(xué)學(xué)多看看田巴，總不會有壞處的钠糊。
最后~~~~全文手打不易挟秤。如果你覺得稍微幫到了你一點(diǎn)點(diǎn)，請點(diǎn)個(gè)喜歡點(diǎn)個(gè)關(guān)注眠蚂。有不同意見或者問題的歡迎評論或者私信。祝大家工作生活都順順利利吧斗躏。
