线程安全与锁优化
并发处理的广泛应用是使得Amdahl定律代替摩尔定律成为计算机性能发展源动力的根
本原因，也是人类"压榨”计算机运算能力的最有力武器。
根据线程安全程度从强到弱一共可以分成五个部分：不可变，绝对线程安全，相对线程安全，线程兼容，线程对立
不可变：指的是在Java语言中不可变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，都不需要采取任何的线程安全措施，例如final，只要一个对象被正确的构建出来就会具有可见性，其外部的状态永远都不会改变。如果共享的数据是一个基本的数据类型，例如String，final关键字。String你对于它的任何操作都会新建一个对象，而final关键字则会永远不变，在JVM一直保持着。同样的还有一些Number的子类，Long，Double等数值，BigInteger，BigDecimal这种。但是号称原子性的AtomicInteger和AtomicLong并不是这种的。
理由：
private volatile int value; /** * Creates a new AtomicInteger with the given initial value. * * @param initialValue the initial value */ public AtomicInteger(int initialValue) { value = initialValue; } //在修改的时候其实没有返回一个新的对象而是安全的进行了修改。 //必须满足：无论是对象的方法实现还是方法的调用者，都不需要采取任何的线程安全措施 /** * Sets to the given value. * * @param newValue the new value */ public final void set(int newValue) { value = newValue; }
绝对线程安全
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，甚至有时候是不切实际的代价。在Java API中标注自己是线程安全的类，大多
数都不是绝对的线程安全。
如果说java.util.Vector是一个线程安全的容器，相信所有的Java程序员对此都不会有异
议，因为它的add()、getO和size()这类方法都是被synchronized修饰的，尽管这样效率很低,
但确实是安全的。但是，即使它所有的方法都被修饰成同步，也不意味着调用它的时候永远
都不再需要同步手段了，请看一下代码清单中的测试代码。
/** * description: Test * date: 2020/6/28 9:56 * * @author: SmartCat994 * version: 1.0.0 */ //这边必须加Syn关键字不然就会报错，因为在多个线程进行同步的时候，如果一个线程错误的删除了一个下标i的元素，就会导致get(i)不可用 public class Test { private static Vector<Integer> vector = new Vector<>(); public static void main(String[] args) { while(true){ for (int i = 0; i < 10; i++) { vector.add(i); } Thread thread = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (vector) { for (int i = 0; i < vector.size(); i++) { vector.remove(i); } } } }); Thread thread1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (vector) { for (int i = 0; i < vector.size(); i++) { System.out.println(vector.get(i)); } } } }); thread.start(); thread1.start(); while (Thread.activeCount()>20) { ; } } } }
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。例如刚刚的Vector，HashTable。
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可以安全地使用，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数
时候指的是这一种情况。Java API中大部分的类都是属于线程兼容的，如与前面的Vector和
HashTable相对应的集合类ArrayList和HashMap等。
线程对立
线程对立是指无论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是很少出现的,
而且通常都是有害的，应当尽量避免。
-个线程对立的例子是Thread类的suspend()和resume()方法，如果有两个线程同时持
冇•个线程对象，一个尝试去中断线程，另一个尝试去恢复线程，如果并发进行的话，无论
调用时是否进行了同步，目标线程都是存在死锁风险的，如果suspend()中断的线程就是即
将要执行resume])的那个线程，那就肯定要产生死锁了。也正是由于这个原因，suspend。和
resume()方法已经被JDK声明废弃(@Deprecated) 了。常见的线程对立的操作还有System,
sctln。、Sytem.sctOut()和 System.nmFinalizersOnExit()等。
线程安全的现实方式
1.互斥同步
同步：多个线程在并发共享数据的时，保证共享数据在同一个时刻只被一个线程使用。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，因此在互斥同步中，互斥是因，同步是果，互斥是方法，同步是目的
在Java中最基础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生成两个指令码，这两个指令都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象，指明了谁就是谁来做这个reference，如果没有就会根据synchronized修饰的是类方法还是实例方法来对应的去拿到对象实例或者Class对象作为锁对象。
子根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁。如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1相应的，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1当计数器为0时，锁就被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。
在对monitorenter和monitorexit的行为描述中，有两点是需要特别注意的。首先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情况。其次同步块在已进入的线程执行完毕之前，会阻塞后面其他线程的进入。
这点要注意一个点。Java的线程是需要映射到操作系统的原生线程上的，如果需要阻塞或者唤醒一个县城都需要耗费很多处理器的时间，所以在很简单的同步块上可以这个转换的时间比运行的时间还要长，所以使用synchronized的时候需要注意。
除了使用synchronized还可以使用重入锁，在基本用法上，synchronized和重入锁很像，只是代码上有区别一个是API上的，一个是原生语法上的。不过重入锁有三个特征是synchronized没有的。
1.等待可中断：等待可中断是指当持有锁的线程长期不释放锁的时候，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。
2.可实现公平锁 ：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得锁;
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中的锁是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可
以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。
3.锁可以绑定多个条件：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则无须这样做，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所带来的性能问题，因此这种同步也称
为阻塞同步,从处理问题的方式上说，互斥同步属于一种悲观
的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施（例如加锁），那就肯定会出现问题，无
论共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁、用户态核心态转换、维护锁计数器和检査是否有被阻
塞的线程需要唤醒等操作。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，通俗地说，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，那就再采取其他的补偿措施（最常见的补偿措
施就是不断地重试，直到成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，
因此这种同步操作称为非阻塞同步。
但是乐观锁这种是需要一定硬件来进行支持的，操作和冲突检测是需要一定的原子性的，需要指令的支持例如：测试并设置，获取并增加，交换，比较并交换，条件存储等
在Java1.5之后，Java程序才可以使用CAS操作，该操作由Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法包装提供，虚拟机在内部对这些方法做了特殊处理，编译出来的指令是一条平台相关的CAS指令，没有方法调用的过程，或者可以认为是无条件内联进去了。
3.无同步方案
要保证线程安全，并不是一定就要进行同步，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-个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步
措施去保证正确性，因此会有些代码天生就是线程安全的，简单地介绍其中的两类。
可重入代码:这种代码也叫做纯代码,可以在代码执行
的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码(包括递归调用它本身)，而在控制权返回后,
原来的程序不会出现任何错误。相对线程安全来说，可重入性是更基本的特性，它可以保证
线程安全，即所有的町重入的代码都是线程安全的，但是并非所有的线程安全的代码都是可重入的
可重入代码有一些共同的特征，例如不依検存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到
的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。我们可以通过一个简单的原则来判断
代码是否具备可重人性：如果一个方法，它的返回结果是可以预测的，只要输入了相同的数
据，就都能返回相同的结果，那它就满足可重入性的要求，当然也就是线程安全的。
线程本地存储：如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共
享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行？如果能保证，我们就可以
把共享数据的可的范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据
争用的问题。
符合这种特点的应用并不少见，大部分使用消费队列的架构模式(如“生产者-消费
者”模式)都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完，其中最重要的一个应用实例就
是经典Web交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”(Thread-per-Requcst)的处理方
式，这种处理方式的广泛应用使得很多Web服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程
安全问题。
方法：通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。您一个
线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象，这个对象存储了一组以ThreadLocal.
threadLocalHashCode为键，以本地线程变量为值的K-V值对，ThreadLocal对象就是当
前线程的ThreadLocalMap的访问入口，每一•个ThreadLocal对象都包含了一个独一无二的
threadLocalHashCode值，使用这个值就可以在线程K-V值对中找冋对应的本地线程变量。
锁优化
高效并发是从JDK1.5之后一个重要的改进，如适应性自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等技术都是为了更好的在线程之间更好的共享数据，以解决竞争问题。
自旋锁与自适应锁
通过前面知道互斥同步：对性能影响最大的是阻塞这个情况，挂起线程和恢复线程的操作需要转入内核态中完成。所以如果共享数据的过程很短，最好是把线程稍微等一下而不是挂起再恢复。所以出现了一个技术“自旋”：让线程执行一个忙循环
自旋锁在JDK1.4之后引入，自旋等待可以避免线程的挂起和恢复操作，但是自旋依然会占用一定的处理器资源（至少需要它去运行一个段忙循环），所以自旋最好是根据等待的时候来进行选择，如果时间长最好不自旋，如果时间短最好自旋。
在JDK 1.6中引入了自适应的自旋，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也很有
可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如100个循环。另外，如果
对于某个锁，自旋很少成功获得过,那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避
免浪费处理器资源。有了自适应自旋，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对
程序锁的状况预测就会越来越准确，虚拟机就会变得越来越“聪明” 了。（我认为这个的实现是需要一个计数器的）
锁消除
有一些代码其实是线程绝对安全的，在堆上的变量更不不会泄露。例如在StringBuilder.app()上加了Syn关键字。但其实StringBuilder是一个绝对安全的，每一次的操作都是生成一个新的对象，所以在JVM会进行优化，删除掉Syn关键字。
粗化锁
原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小一只在
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数量尽可能变小，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同一个对象反
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，以代码清单13-7为例，就是扩展到第一个append。操作之前直至最后一个append。操
作之后，这样只需要加锁一次就可以了。
轻量级锁
轻暈级锁是JDK 1.6之中加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用操作
系统互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就称为“重量级”锁。首先需要强调
一点的是，轻;S级锁并不是用来代替重量级锁的，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。
要理解轻最级锁，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(Object Header)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32bit
和64bit,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。
当进入到一个同步块的时候，先看这个对象有没有被锁，如果没有那么它的头中的标志位就是01，然后就会在栈帧中加一个锁记录的空间，用于存储锁对象目前的MK拷贝
然后会进行CAS操作，将对象头中的MK更新为指向锁记录的指针，然后将状态位变成00，这样的就是轻量级锁了
如果更新操作失败了，会首先检查对象的MK是否指向当前线程的栈帧，如果已经有了锁就继续同步代码块，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（互斥锁）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Mark Word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，唤曜被挂起的线程。
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
址的开销，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，轻最级锁会比传统的重量级锁更慢。
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
“
偏向锁的“偏"，就是偏心的“偏”、偏袒的“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。
如果读者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【D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）。
锁升级简要图
smartcat.994
