深刻理解Java虚拟机——第十三章——高效并发

线程安全

当多个线程访问一个对象时，若是不考虑这些线程在运行环境下的调度和交替执行，也不须要进行额外的同步，或者在调用地方进行额外的协调操做，调用这个对象的行为均可以得到正确的结果，那么这个对象是线程安全的。

Java的线程安全

各类操做共享的数据分类5类：

1. 不可变：不可变对象必定是线程安全的。如基本数据类型定义为final就是不可变。String、Number、Long等数值都是不可变的，但Number的原子类AtomicInteger并不是不可变的。
2. 绝对线程安全：无论运行时环境如何，都不须要任何额外的同步措施。如Vector类虽然是线程安全的，由于其方法都加上了synchronized，可是若是在外面用两个线程调用它，一个访问元素一个删除元素，那么若是外面不使用同步的话就会使得访问到刚被删除的元素而报错。所以Vector不是绝对线程安全。
3. 相对线程安全：保证对象单独操做是线程安全的。如Vector就是相对线程安全的。
4. 线程兼容：对象自己不是线程安全的，可是调用的时候用同步手段能够保证线程安全。如ArrayList和HashMap。
5. 线程对立：不管是否采起同步措施，都没法在多线程环境中并发使用的代码。如Thread的suspend()和resume()方法，同时操做一个线程进行中断和恢复，一旦并发，不管是否同步都是存在死锁风险。即一个线程suspend挂起本身（suspend不会释放所持有的锁除非进行resume），若是resume所在的线程在resume以前因想要获取suspend线程里的锁而阻塞，那么就发生了死锁。参考https://www.jianshu.com/p/7a123f212ca1。

线程安全的实现方法

互斥同步

互斥是实现同步的一种手段。须要阻塞和唤醒，使得性能下降，也称阻塞同步，是悲观锁。不管共享数据是否会发生竞争都须要加锁。

最基本互斥手段是synchronized。会在同步块的先后造成monitorenter和monitorexit，在执行monitorenter时尝试去获取锁，若是已被本身持有或者未被持有则锁计数器加1，执行monitorexit就会减1，直到为0才释放锁。若是获取锁失败则会处于阻塞状态。

除了synchronnized外还有JUC的重入锁（ReentrantLock），都具有线程重入特性，只是代码写法上有区别，一个为API层面的互斥锁（lock和unlock方法配合try/finally语句实现），一个是原生语法层面的互斥锁。RenetrantLock多了3个高级功能：

• 等待可中断：当持有锁的线程长期不释放锁的时候，等待锁的线程能够放弃等待，改成处理其它事情
• 公平锁：多个线程在等待一个锁时，按申请的时间顺序来得到锁。而非公平锁是每一个等待线程都有机会得到锁，synchronized是非公平锁
• 锁绑定条件：一个Reentrant能够绑定多个Condition对象，而synchronized要和多于一个条件关联的时候，就不得不额外添加一个锁，Reentrant只需屡次调用newCondition。

非阻塞同步

乐观锁。其并发策略时先进行操做，若是没有线程用共享数据，那操做就成功；若是有争用，那么产生冲突，就采起其它措施补偿（常见的补偿是不断重试直到成功为止）。所以就不要把线程挂起。

乐观锁须要保证操做和冲突检测具备原子性，若是使用互斥同步来保证就失去意义了，所以须要硬件来完成这件事。如CAS指令。

CAS有三个操做数：内存地址A、旧的预期值O、新值N。当且仅当A符合旧预期值O时才进行更新V为新值N，并返回旧值O，若是不符合则不进行更新。该操做是一个原子操做。

无同步方案

保证线程安全不必定就须要同步，两者无因果关系。若是一个方法不涉及共享数据，那么就无须任何同步。例以下面两类代码是天生线程安全的：

• 可重入代码：也叫纯代码，能够在代码执行的任什么时候候中断，转而去执行另外一段代码（包括递归调用本身），在控制权返回后原来的程序不会出现错误。可重入代码是都是线程安全的，反过来就不是。有个简单的判断方法：若是方法的返回结果是可预测的，只要输入相同的数据都能返回相同的结果，那么就知足可重入的要求。例如不依赖堆上的数据和公用的系统资源、不调用不可重入代码、用到的状态量都是参数传入。
• 线程本地存储：若是代码所需的数据必须与其它代码共享，那么就看是否能保证将这些共享数据的代码在同一个线程中执行。例如消费队列都是保证消费过程在一个线程中完成，具体为web中一个请求对应一个服务器线程。

锁优化

锁优化技术：自适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁、偏向锁等、

自旋锁和自适应自旋

互斥同步最大的性能消耗就是线程的挂起和恢复，都须要转入内核态完成。大部分共享数据的锁定状态只持续很短的时间，所以为了这段时间取挂起和恢复不值得，因此可让后面请求的锁“等待一下”，但不放弃处理器的执行时间，只需执行忙循环（自旋），这就是所谓的自旋锁。

自旋不能代替阻塞。若是自旋的时间开销超过了线程挂起和恢复的时间开销，那么就白白消耗处理器资源。默认自旋10次，可-XX:PreBlockSpin更改。JDK1.6后引入自旋锁，自旋时间不是固定的，而是由上一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者状态来决定。若是上一次自旋成功且线程正在运行中，则会认为这次自旋可能成功，所以会让自旋持续更长时间，若是一个锁的自旋不多成功则之后获取可能直接省略自旋直接挂起。

锁消除

锁消除是指在即时编译时，对一些代码上要求同步，可是被检测到不存在共数据竞争的锁进行消除。例如StringBuffer的append有同步块，其引用sb不会逃逸到concatString外，其余线程没法访问到sb来进行操做，所以锁能够被安全消除。sb放到实例变量去就得加锁处理。

public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(s1);
        sb.append(s2);
        sb.append(s3);
        return sb.toString();
}

锁粗化

原则上是推荐将同步的做用范围变小，只在共享数据的实际做用域才发生同步。但若是在一系列操做对同一个对象反复加锁解锁，甚至加锁出如今for循环里，那么即便没竞争，频繁的互斥同步也会致使性能损耗。例如上面的append，虚拟机就会把加锁范围变成第一个append扩展到最后一个append。

轻量级锁

轻量级锁是相对使用操做系统互斥量来实现的传统锁而言的，传统锁是重量级锁。轻量级锁是减小使用操做系统的互斥量产生的性能损耗。（使用自旋锁）

若是一开始线程获取锁时，对象头标志未锁定，则用CAS操做使对象头标志为轻量锁，则拥有了该对象的锁。若是更新失败，则判断对象的mark word是否指向当前线程的栈帧，是则代表已经拥有这个锁，直接进入同步代码块，不然说明该锁被其它线程占了。若是两条以上的线程争同一个锁，那么轻量级锁就变成重量级锁。

轻量级锁提高同步性能的依据是“大部分锁，在整个同步周期是不存在竞争的”，这是一个经验数据。没有竞争，则使用CAS操做就避免了使用互斥的开销。

偏向锁

锁会偏向于第一个获取它的线程，若是在接下来的执行过程当中，锁没被其它线程获取，则持有偏向锁的线程不须要再进行同步。当另一个线程尝试获取该锁时，则根据锁对象是否被锁定转换为轻量级锁或未锁定状态。