JAVA并发 线程安全与优化
线程安全
如果一个对象构造完成后，调用者无需要其他任何操作，就可以在多线程环境下随意使用，不会发生错误，那么这个对象就是线程安全的。
线程安全的类型
前提：如果对象不会操作共享变量，那么线程一定是安全的，所有在线程安全类型的前提就是，对象内部一定存在对共享内存的操作。
- 绝对线程安全：定义就是绝对线程安全，绝对线程安全是一种理想状态，然而达到这个状态会付出巨大的代价，所以通常并不需要达到这个状态。
- 相对线程安全：通常所指的线程安全其实就是说的是相对线程安全，eg：Vector，Hashtable，Collections.synchronizedXXXX。对于线程安全的类，使用它们一般不会有额外的操作，但是在有些特定的情况，还是需要特定的操作来保证线程安全。如下例子
1 Vector<String> vector=new Vector<>(); 2 for(int i=0;i<10;i++) 3 vector.add(i+""); 4 5 Thread t1=new Thread(new Runnable() { 6 7 @Override 8 public void run() { 9 for(int i=0;i<vector.size();i++) 10 System.out.println(vector.get(i)); 11 } 12 }); 13 t1.start(); 14 15 Thread t2=new Thread(new Runnable() { 16 17 @Override 18 public void run() { 19 for(int i=0;i<vector.size();i++) 20 vector.remove(i); 21 } 22 }); 23 24 t2.start();
如果线程t1的操作过程中暂停，执行线程t2，那么再启动线程t1时会出现溢出的情况：
1 Vector<String> vector=new Vector<>(); 2 for(int i=0;i<10;i++) 3 vector.add(i+""); 4 5 Thread t1=new Thread(new Runnable() { 6 7 @Override 8 public void run() { 9 synchronized (vector) { 10 for(int i=0;i<vector.size();i++) 11 System.out.println(vector.get(i)); 12 } 13 } 14 }); 15 t1.start(); 16 17 Thread t2=new Thread(new Runnable() { 18 19 @Override 20 public void run() { 21 synchronized (vector) { 22 for(int i=0;i<vector.size();i++) 23 vector.remove(i); 24 } 25 } 26 }); 27 28 t2.start();
- 线程对立：无论调用者怎么操作，都无法到达线程安全的目的。eg：Thread.suspend，resume方法；suspend方法会暂停线程，但它不会释放资源，若resume需要请求到该资源才会被运行的话，系统就会进入死锁状态。
实现线程安全的方法
悲观锁(同步互斥)：
同步指在同一个时刻，只有一个线程操作共享变量；实现同步的方式有:互斥访问，CAS操作。互斥就会引起阻塞，进入阻塞就会引起上下文切换，故互斥实现同步开销很大。处理机制：先上锁，再处理。
java中有两种实现互斥的方式：synchronized，ReentrantLock。
synchronized：
- 编译器会在synchronized开始和结束的位置加上：monitorenter和monitorexit指令。
- 这两个指令需要一个reference类型的参数来指名要锁定和解锁的对象
- 如果同步块没有明确的指明锁对象，那么就使用当前的类和当前的Class对象。
- 是一把重入锁，即：在任何情况下，都可以再次获得锁，不会出现当前线程把自己锁死的情况。
ReentrantLock
- 这个也是重入锁，但是比synchronized多以下功能：
- 等待可中断：如果一个线程长时间的占用锁不释放，那么被阻塞的线程可以选择放弃去做别的事。
- 可实现公平锁。公平锁：给与锁是根据阻塞的先后顺序来的，不是随机的。synchronized是非公平锁，他是随机给锁的；ReentrantLock默认也是非公平锁，但是可以通过构造函数改成公平锁。
- 可以多绑定条件。synchronized可以使用wait/notify来实现等待/通知消息机制。但一个synchronized只能有使用，如果要使用多次，就需要嵌套同步块；但是ReentrantLock可以通过newContinue创建多个条件。
优先选择synchronized。
乐观锁(非阻塞同步）
它是一种乐观锁，即它总是认为当前没有线程使用共享资源，因此它不管当前的状态，直接操作共享资源，若发现产生了冲突，那么再采取补偿措施，这种方式线程无需进入阻塞态(挂起态)，因此称为非阻塞同步。
JUC中各种整形原子类的自增、自减等操作就使用了CAS。
CAS操作过程：CAS操作存在3个值：共享变量V、预期的旧值A、新值B，若V与A相同，则将V更新成B，否则就不更新，继续循环比较，直到更新完成为止。
CAS操作可能引发的问题：ABA问题。 若V一开始的值为A，但在准备赋新值的过程中A变成了B，又变成了A，而CAS操作误认为V没有被改过。
无同步方案
乐观锁和悲观锁都是同一时刻只让一条线程处理共享数据，而下面的方案使得多条线程之间不存在共享数据，从而无需同步。类型有：
- 可重入代码
- 线程封闭
线程优化
自旋锁
互斥同步对性能最大的影响是阻塞，挂起和恢复线程都需要转入内核态中完成；并且通常情况下，共享数据的锁定状态只持续很短的一段时间，为了这很短的一段时间进行上下文切换并不值得
- 一条线程需要请求一把已经被占用的锁时，并不会进入阻塞状态，而是继续持有CPU执行权等待一段时间，该过程称为自旋。
- 优点：由于自旋等待锁的过程线程并不会引起上下文切换，因此比较高效；
- 缺点：自旋等待过程线程一直占用CPU执行权但不处理任何任务，因此若该过程过长，那就会造成CPU资源的浪费。
- 自适应自旋：自适应自旋可以根据以往自旋等待时间的经验，计算出一个较为合理的本次自旋等待时间。
锁清楚
编译器会清除一些使用了同步，但同步中并没有使用共享数据的锁，从而减少多余的时间。
锁粗化
如果有一系列的操作，频繁的对同一把锁进行上锁和解锁的操作，编译器扩大这部分代码的边界，只使用一次上锁解锁的操作。
轻量级锁
- 本质：使用CAS取代互斥同步。
- 背景：『轻量级锁』是相对于『重量级锁』而言的，而重量级锁就是传统的锁。
- 轻量级锁与重量级锁的比较：
- 重量级锁是一种悲观锁，它认为总是有多条线程要竞争锁，所以它每次处理共享数据时，不管当前系统中是否真的有线程在竞争锁，它都会使用互斥同步来保证线程的安全；
- 而轻量级锁是一种乐观锁，它认为锁存在竞争的概率比较小，所以它不使用互斥同步，而是使用CAS操作来获得锁，这样能减少互斥同步所使用的『互斥量』带来的性能开销。
- 实现原理：
- 对象头称为『Mark Word』，虚拟机为了节约对象的存储空间，对象处于不同的状态下，Mark Word中存储的信息也所有不同。
- Mark Word中有个标志位用来表示当前对象所处的状态。
- 当线程请求锁时，若该锁对象的Mark Word中标志位为01（未锁定状态），则在该线程的栈帧中创建一块名为『锁记录』的空间，然后将锁对象的Mark Word拷贝至该空间；最后通过CAS操作将锁对象的Mark Word指向该锁记录；
- 若CAS操作成功，则轻量级锁的上锁过程成功；
- 若CAS操作失败，再判断当前线程是否已经持有了该轻量级锁；若已经持有，则直接进入同步块；若尚未持有，则表示该锁已经被其他线程占用，此时轻量级锁就要膨胀成重量级锁。
- 前提：轻量级锁比重量级锁性能更高的前提是，在轻量级锁被占用的整个同步周期内，不存在其他线程的竞争。若在该过程中一旦有其他线程竞争，那么就会膨胀成重量级锁，从而除了使用互斥量以外，还额外发生了CAS操作，因此更慢！
偏向锁
- 作用：偏向锁是为了消除无竞争情况下的同步原语，进一步提升程序性能。
- 与轻量级锁的区别：轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作来代替互斥量的使用，从而实现同步；而偏向锁是在无竞争的情况下完全取消同步。
- 与轻量级锁的相同点：它们都是乐观锁，都认为同步期间不会有其他线程竞争锁。
- 原理：当线程请求到锁对象后，将锁对象的状态标志位改为01，即偏向模式。然后使用CAS操作将线程的ID记录在锁对象的Mark Word中。以后该线程可以直接进入同步块，连CAS操作都不需要。但是，一旦有第二条线程需要竞争锁，那么偏向模式立即结束，进入轻量级锁的状态。
- 优点：偏向锁可以提高有同步但没有竞争的程序性能。但是如果锁对象时常被多条线程竞争，那偏向锁就是多余的。
- 偏向锁可以通过虚拟机的参数来控制它是否开启。
