线程安全与锁优化

《深入理解Java虚拟机》第十三章

当多个线程访问一个对象时，如果不用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，那这个对象是线程安全的。

线程安全强度排序：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：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，都不需要采取任何保障线程安全的措施，String和八大基础类型的包装类（没有变量的类，有变量必须final修饰的基础类型或者final修饰的不可变类）
• 绝对线程安全：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。
• 相对线程安全：对象线程安全，但调用时需要额外的同步措施，这个类型就是常说的线程安全，Java中大部分的线程安全类都属于这种类型，Vector，HashTable，Collections，synchronizeCollection（）方法包装的集合。
• 线程兼容：对象线程不安全，调用时采取正确的同步手段，使其线程安全
• 线程对立：不管采取怎样的同步措施，都不能保证线程安全。

线程安全的实现方法

• 互斥同步
• 非阻塞同步
• 无同步

互斥同步：多个线程访问共享数据时，同一时刻共享数据仅被一个线程使用，其他线程阻塞。

重量级锁synchronize，经过编译后代码前后monitorenter，monitorexit两个字节码指令（计数器），两个字节码指令都需要一个refrence类型的参数指明要锁定和解锁的对象。

synchronize：有明确指定对象参数，就是指定的参数对应的对象，

                       没有明确指定参数（即用在方法上）时，实例方法锁定实例对象，类方法锁定类对象。

synchronize：锁定对象对同一线程是可以重入的，不会出现自己把自己锁死的问题，只会阻塞其他线程。

synchronize导致的问题：如果阻塞或唤醒一个线程，都需要操作系统来帮忙完成就会在用户态和核心态频繁切换，效率低，优化：通知操作系统阻塞时自旋等待，避免进入核心态。

除synchronize外，重入锁ReentrantLock也可以实现同步。利用Lock类实现的。

ReentrantLock增加了一些高级功能：

• 等待可中断 ：等待时间过长，可选择放弃，改处理其他事情。
• 可实现公平锁：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。默认是非公平的。
• 锁可以绑定多个条件

未来的jdk改进会偏向于原生的synchronize

非阻塞同步：基于冲突检测乐观并发策略，先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，操作成功。有争取，产生了冲突，采取补偿措施（最常见的补偿措施：不断重试，知道成功为止）。

乐观并发策略需要“硬件指令集的发展”才能进行，操作+冲突检测的原子性

一条处理器指令就能完成操作

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,CAS)

加载链接、条件存储(Load-Linked/Store-Conditional，LL、SC)

Jdk1.5之后，java程序中才可以使用CAS操作，sun.misc.Unsafe类中compareAndSwapInt和compareAndSwapLong等方法包装提供。

Unsafe类仅启动类加载器加载的类才能执行，用户程序不能直接调用，可用反射，不然只能通过java.util.concurrent来间接调用。

while(true){
    int current = get();
    int next = current + 1;
    if(compareAndSet(current,next)){
        return next
    }  
}
    

 

CAS操作的ABA问题：A-->B-->A，认定变量没有被线程改变过

无同步方案

可重入代码：纯代码，每次相同输入，返回结果相同。

线程本地存储 : 共享数据的代码保证在同一线程中执行，可把共享数据可见范围限制在同一个线程内，ThreadLocal的ThreadLocalMap

锁优化

• 自旋锁自适应自旋：互斥同步时，等待线程继续消耗处理器执行时间，防止进入核心态。但等待时间长，会浪费处理器性能。
• 锁消除：虚拟机即时编译器在运行时，对代码上同步，但检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。
• 锁粗化：虚拟机检测，同步块锁定同一对象，多且零碎。优化到整个操作序列外面。
• 轻量级锁：没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁所使用操作系统互斥量产生的性能消耗。两条线程争用锁，无用
• 偏向锁：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。单线程每次获取资源需要同步锁，偏向锁就是第一次获取偏向锁，后续如果没有其他线程同步锁，这个线程后续请求资源不需要重新获取锁