理解JVM（六）：线程安全和锁优化

线程安全的实现方法

互斥同步

互斥是因，同步是果；互斥是方法，同步是目的。

synchronized关键字

• synchronized关键字是基本的互斥同步手段。它在编译后会在同步代码块先后加入2条字节码指令：monitorenter和monitorexit
• 这两个字节码都须要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。若是Java程序中的synchronized指定了对象参数，那就是这个对象的reference；若是没有指定，就根据synchronized修饰的是实例方法仍是类方法，去取对应的对象实例或Class对象来做为锁对象。
• 执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁。若是这个对象没被锁定，或当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1；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。若是获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另一个线程释放为止。
• synchronized同步块对同一条线程来讲是可重入的，不会出现本身把本身锁死的问题。
• 同步块在已进入的线程执行完以前，会阻塞后面其余线程的进入。
• Java的线程是映射到操做系统的原生线程之上的，若是要阻塞或唤醒一个线程，都须要操做系统来完成，这就须要从用户态转换到核心态中，所以状态转换须要耗费不少的处理器时间，因此synchronized是Java语言中一个重量级的操做。不过虚拟机会有一些优化措施，好比自旋等待。

ReentrantLock重入锁

重入锁位于java.util.concurrent包。基本用法和synchronized类似，只是代码写法有区别：synchronized是原生语法层面的实现。ReentrantLock是API层面，使用lock()和unlock()方法配合try/finally语句块来实现。

重入锁有3个高级特性：

• 等待可中断：当持有锁的线程长期不释放锁时，正在等待的线程能够选择放弃等待，改成处理其余事情。可中断特性对处理执行时间很是长的同步块颇有帮助。
• 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得到锁；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得到锁。synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock默认状况下也是非公平的，但能够经过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。
• 锁能够绑定多个条件：一个ReentrantLock对象能够同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait()和notify()或notifyAll()方法能够实现一个隐含的条件，若是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则无须这样作，只须要屡次调用newCondition()方法便可。

性能比较

• JDK1.6以前，在多线程环境下，synchronized的吞吐量随着处理器数量增长而降低得很是严重。
• JDK1.6以后，虚拟机作了优化，2种方式性能差很少。推荐优先使用synchronized方式。

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，所以这种同步也称为阻塞同步（Blocking Synchronization）。

按处理问题的方式来讲：

• 互斥同步是悲观并发策略：不管是否产生共享数据争用，都会作同步措施（加锁，用户态内核态转换等）。
• 非阻塞同步是一种乐观并发策略：它基于冲突检测。通俗的说，就是先执行代码，若没有发生共享数据争用，就成功执行；若发生共享数据争用，就采起补偿措施（好比不断重试，直到成功），这种策略不会致使线程阻塞。

CAS操做： CAS指令须要有3个操做数，分别是内存位置（在Java中能够简单理解为变量的内存地址，用V表示）、旧的预期值（用A表示）和新值（用B表示）。CAS指令执行时，当且仅当V符合旧预期值A时，处理器用新值B更新V的值，不然它就不执行更新，可是不管是否更新了V的值，都会返回V的旧值，这个处理过程是个原子操做。

ABA问题： 若是一个变量V初次读取的时候是A值，而且在准备赋值的时候检查到它仍然为A值，那咱们就能说它的值没有被其余线程改变过了吗？若是在这段期间它的值曾经被改为了B，后来又被改回为A，那CAS操做就会误认为它历来没有被改变过。

无同步方案

若是一个方法原本就不涉及共享数据，那它就无须任何同步措施去保证正确性。

• 可重入代码：这种代码也叫作纯代码（Pure Code），能够在代码执行的任什么时候刻中断它，转而去执行另一段代码（包括递归调用它自己），而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。
• 线程本地存储：一段代码中所须要的数据必须与其余代码共享，而且能够把共享数据的可见范围限制在同一个线程以内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。
  • Java语言中，若是一个变量要被多线程访问，可使用volatile关键字声明它为“易变的”；若是一个变量要被某个线程独享，Java中就没有相似C++中__declspec（thread） 这样的关键字，不过仍是能够经过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。每个线程的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，每个ThreadLocal对象都包含了一个独一无二的threadLocalHashCode值，使用这个值就能够在线程K-V值对中找回对应的本地线程变量。

锁优化

适应性自旋（Adaptive Spinning）

线程阻塞的时候，让等待的线程不放弃cpu执行时间，而是执行一个自旋(通常是空循环)，这叫作自旋锁。

自旋等待自己虽然避免了线程切换的开销，但它是要占用处理器时间的，所以，若是锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就很是好，反之，若是锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，带来性能上的浪费。

所以，自旋等待的时间必需要有必定的限度。若是自旋超过了限定的次数仍然没有成功得到锁，就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是10次，用户可使用参数-XX：PreBlockSpin来更改。

JDK1.6引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间再也不固定了，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。好比前一次自旋了3次就得到了一个锁，那么下一次虚拟机会容许他自旋更屡次来得到这个锁。若是一个锁不多能经过自旋成功得到，那么以后再遇到这个状况就会省略自旋过程了。

锁消除（Lock Elimination）

虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，可是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。通常根据逃逸分析的数据支持来做为断定依据。

锁粗化（Lock Coarsening）

原则上，咱们在编写代码的时候，老是推荐将同步块的做用范围限制得尽可能小——只在共享数据的实际做用域中才进行同步，这样是为了使须要同步的操做数量尽量变小，若是存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

但若是一系列操做频繁对同一个对象加锁解锁，或者加锁操做再循环体内，会耗费性能，这时虚拟机会扩大加锁范围。

轻量级锁（Lightweight Locking）

轻量级锁是JDK 1.6之中加入的新型锁机制。它的做用是在没有多线程竞争的前提下，减小传统的重量级锁使用操做系统互斥量产生的性能消耗。

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，这部分称为Mark Word。还有一部分存储指向方法区对象类型数据的指针。

加锁

在代码进入同步块的时候，若是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创建一个名为锁记录（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Displaced Mark Word）。而后，虚拟机将使用CAS操做尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。若是这个更新动做成功，那么这个线程就拥有了该对象的锁，而且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后2bit）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。若是这个更新操做失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，若是是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就能够直接进入同步块继续执行，不然说明这个锁对象已经被其余线程抢占了。若是有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就再也不有效，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。

解锁

解锁过程也是经过CAS操做来进行的。若是对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操做把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，若是替换成功，整个同步过程就完成了。若是替换失败，说明有其余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。

性能

没有锁竞争时，轻量级锁用CAS操做替代互斥量的开销，性能较优。有锁竞争时，除了互斥量开销，还有CAS操做开销，因此性能较差。可是，通常状况下，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。

偏向锁（Biased Locking）

偏向锁也是JDK1.6中引入的锁优化，它的目的是消除数据在无竞争状况下的同步原语，进一步提升程序的运行性能。若是说轻量级锁是在无竞争的状况下使用CAS操做去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的状况下把整个同步都消除掉，连CAS操做都不作了。

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操做把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，若是CAS操做成功，持有偏向锁的线程之后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机均可以再也不进行任何同步操做。当有另一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式结束。

偏向锁能够提升带有同步但无竞争的程序性能，但并不必定老是对程序运行有利。若是程序中大多数的锁老是被多个不一样的线程访问，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能够提高性能。