线程安全与锁优化

线程安全

         当多个线程访问一个对象时，如果不考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调操作，调用这个对象的行为都可以获得正确的结果，那这个对象就是线程安全的。

        这个定义很严谨，它要求了线程安全的代码必须都具有一个特征：代码本身封装了所有必要的正确性保障手段（如互斥同步等），令调用者无须关心多线程的问题，更无须自己实现任何措施来保证多线程的正确调用。这点并不容易，在大多数场景中，我们都会将这个定义弱化。

Java语言中的线程安全

        我们将Java语言中各种操作共享的数据分为以下五类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程独立。

不可变

        在Java语言里面，不可变（Immutable）的对象一定是线程安全的，无论是对象的方法实现还是方法的调用者，都不需要再进行任何的线程安全保障措施。"不可变"带来的安全性是最简单最纯粹的。

        在Java语言中，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。保证对象行为不影响自己的状态的途径有很多种，其中最简单的就是把对象中带有状态的变量都声明为final，这样在构造函数结束之后他就是不可变的。

        在Java API中符合不可变要求的类型除了上面的String之外，常用的还有枚举类型，以及java.lang.Number等部分子类，如Long和Double等数值包装类型，BigInteger和BigDecimal等大数据类型；但同为Number的子类型的原子类AtomicInteger和AtomicLong则并非不可变的。

绝对线程安全

        绝对的线程安全完全满足线程安全的定义，这个定义其实是很严格的，一个类要达到“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”通常需要付出很大的，甚至是不切实际的代价。在Java API中标注自己是线程安全的类，绝大多数都不是绝对的线程安全。

相对线程安全

        相对的线程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，我们在调用的时候不需要做额外的保障措施，但是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。在Java语言中，大部分的线程安全都属于这种类型，例如Vector、HashTable、Collections的synchorizedCollection()方法包装的集合等。

线程兼容

        线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，但是可以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的安全地使用，我们平常说的线程安全，绝大多数指的都是这种情况。

线程对立

        线程对立是指不管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。由于Java语言天生就具备多线程特性，线程对立这种排斥多线程的代码很少出现。

线程安全的实现方法

1、互斥同步

        互斥同步是最常见的一种并发正确性保障手段，同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一时刻只被一条（或者是一些，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、互斥量和信号量都是主要的互斥实现方式。因此在这4个字里面，互斥是因，同步是果、互斥是方法，同步是目的。

        在Java里面，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码指令都需要一个reference类型的参数来指明呀锁定和解锁的对象。如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是和这个对象的reference；如果没有明确指定，那就根据synchronized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成之前会阻塞后面其他线程进入。Java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条线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态转到核心态中，因此状态转换需要耗费很多处理器时间。对于代码简单的同步块（如被synchronized修饰的getter或setter方法），状态转换耗时可能比用户代码执行的时间还要长。所以synchronized是Java语言中的一个重量级操作。

        除了synchronized之外，我们还可以使用java.util.concurrent包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步，在基本用法上，ReentrantLock和synchronized很相似，他们都具备一样的线程重入特性，只是代码写法上有点区别，一个表现为API层面的互斥锁（lock和unlock方法配合try/finally语句块来完成），一个表现为原生语法层面的互斥锁。不过ReentrantLock比synchronized增加了一些高级功能，主要有以下三项：等待可中断，可实现公平锁，以及锁可以绑定多个条件。

• 等待可中断是指持有锁的线程长期不释放的时候，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。
• 公平锁是指多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序来依次获取锁；而非公平锁则不保证这一点，在锁被释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized的锁是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但是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，而在synchronized中，锁对象的wait和notify或notifyAll方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无需这么做，只需要多次调用newCondition方法即可。

2、非阻塞同步

        互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒锁所带来的问题，因为这种同步也被称为阻塞同步。另外，它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（加锁），那肯定就会出现问题，无论共享数据是否真的会出现竞争，都需要进行加锁（这里说的是概念模型，实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加锁）、用户态到核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要被唤醒等操作。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，通俗地讲就是先进行操作，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，那就再进行其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断地重试，直到试成功为止），这种乐观的并发测录额的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步操作被称为非阻塞同步。

        为什么使用乐观并发策略需要“硬件指令集的发展”才能进行呢？因为我们需要操作和冲突检测具备原子性，靠什么保证呢？如果这里再使用互斥同步保证就失去意义了，所以我们只能靠硬件来完成这件事情，硬件保证一个从语义上看起来需要多次操作的行为值通过一条处理器指令就能完成，这类指令常用的有：

• 测试并设置（Test-and-Set）
• 获取并增加（Fetch-and-Increment）
• 交换（Swap）
• 比较并交换（Compare-and-Swap，下文称CAS）
• 加载链接/条件储存（Load-Linked/Store-Conditional，下文称LL/SC )

        其中，前面的三条是上个世纪就已经存在于大多数指令集之中的处理器指令，后面的两条是现代处理器新增的，而且这两条指令的目的和功能类似。

3、无同步方案

        要保证线程安全，并不是一定就要进行线程同步，两者没有因果关系。同步只是保证共享数据争用时的正确性的手段，如果一个方法本身就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性，因此会有一些代码天生就是线程安全的。

锁优化

1、自旋锁与自适应自旋

        共享数据的锁定状态会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起合恢复线程并不值得。如果物理机器有一个以上的处理器，能让那个两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程稍等一会，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，我们只须让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。

        自旋锁是一种多线程同步机制，用于保护共享资源免受并发访问的影响。当多个线程尝试获取锁时，它们会持续自旋（即在循环中不断检查锁是否可用），而不是立即进入休眠状态等待锁的释放。这种机制减少了线程切换的开销，特别适用于短时间内锁的竞争情况。

        自JDK1.6后，自旋锁就默认开启了，自旋的默认次数是10次。JDK1.6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决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过的锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续更长的时间，比如100个循环。另一方面，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过锁，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋的过程，以避免浪费处理器资源。

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，如果判断到一段代码中，在堆上的所有数据都不会逃逸出去被其他线程访问到，那就可以把它们当动栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。

3、锁粗化

        原则上，总是推荐将同步块的作用范围限制的尽可能小--只有在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是如果一系列的连续操作都对一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。如果虚拟机探测到有这样的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。

4、轻量级锁

        传统的锁机制被称为“重量级”锁，“轻量级”是相对于传统锁而言的。轻量级锁并不是用来替代重量级锁的，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

        要理解轻量级锁，以及后面会讲到的偏向锁的原理和运作过程，必须从HotSpot虚拟机的对象(对象头部分)的内存布局开始介绍。HotSpot虚拟机的对象头(ObjectHeader)分为两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码(HashCode)、GC分代年龄(Generational GC Age)等，这部分数据的长度在 32位和64 位的虚拟机中分别为 32个和 64个 Bits，官方称它为“Mark Word”，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。另外一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象的话，还会有一个额外的部分用于存储数组长度。

        对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word 被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在 32位的HotSpot 虚拟机中对象未被锁定的状态下，Mark Word 的 32个 Bits 空间中的 25Bits 用于存储对象哈希码(HashCode)，4Bits 用于存储对象分代年龄，2Bits 用于存储锁标志位，1Bit 固定为0，在其他状态(轻量级锁定、重量级锁定、GC 标记、可偏向)下对象的存储内容如表13-1 所示

        简单地介绍完了对象的内存布局，我们把话题返回到轻量级锁的执行过程上。在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定(锁标志位为“01”状态)，虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间，用于存储锁对象目前的 Mark Word 的拷贝(官方把这份拷贝加了一个 Displaced 前缀，即 DisplacedMark Word)，这时候线程堆栈与对象头的状态如下图所示。

        然后，虚拟机将使用CAS 操作尝试将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象 MarkWord 的锁标志位(Mark Word 的最后两个 Bits)将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定的状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图13-4 所示。

        如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检査对象的Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word 中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过 CAS操作来进行的，如果对象的 Mark Word 仍然指向着线程的锁记录，那就用 CAS 操作把对象当前的 MarkWord 和线程中复制的 Displaced Mark Word 替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

        轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

5、偏向锁

        偏向锁也是 JDK 1.6中引入的一项锁优化，它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉连 CAS 操作都不做了。偏向锁的“偏”，就是偏心的“偏”、偏祖的“偏”。它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。

        如果读懂了前面轻量级锁中关于对象头Mark Word 与线程之间的操作过程，那偏向锁的原理理解起来就会很简单。假设当前虚拟机启用了偏向锁(启用参数 -XX:+UseBiasedLocking，这是JDK 1.6 的默认值)，那么，当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设为“01”，即偏向模式。同时使用CAS 操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的 Mark Word 之中，如果 CAS 操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作(例如 Locking、Unlocking及对 Mark Word 的 Update 等)。

        当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向(Revoke Bias)后恢复到未锁定(标志位为“01”)或轻量级锁定(标志位为“00”)的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行。偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象 Mark Word 的关系如图 13-5 所示、

        偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡(Trade Off)性质的优化，也就是说它并不一定总是对程序运行有利，如果程序中大多数的锁都总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。在具体问题具体分析的前提下，有时候使用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。