《深刻理解 Java 虚拟机》读书笔记：线程安全与锁优化

正文

1、线程安全

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

一、Java 语言中的线程安全

按线程安全的“安全程度”由强至弱排序，能够将多个线程的共享数据分为 5 类：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。

（1）不可变

不可变的对象必定是线程安全的，不管是对象的方法实现仍是方法的调用者，都不须要再采起任何的线程安全保障措施。

• 若是共享数据是一个基本数据类型，那么只要在定义时使用 final 修饰就能够保证它是不可变的。
• 若是共享数据是一个对象，那就须要保证对象的行为不会对其状态产生任何影响。最简单的方法就是把对象中带有状态的变量都声明为 final，这样在构造函数结束以后，它就是不可变的。

（2）绝对线程安全

必须知足“无论运行时环境如何，调用者都不须要任何额外的同步措施”。

实现代价很是大。

（3）相对线程安全

就是咱们一般意义上所讲的线程安全，它须要保证对一个对象单独的操做是线程安全的，调用时不须要额外的保障措施，可是对于一些特定顺序的连续调用，可能须要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。

Java 语言中，大部分的线程安全类都属于这种类型。

（4）线程兼容

指对象自己并非线程安全的，但能够经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能够安全地使用。

咱们日常说一个类不是线程安全的，绝大多数时候指的是这一种状况。

（5）线程对立

指不管调用端是否采起了同步措施，都没法在多线程环境中并发使用的代码。

Java 语言天生就具有多线程特性，线程对立这种排斥多线程的代码是不多出现的。

二、线程安全的实现方法

（1）互斥同步（阻塞同步）

同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一个（使用信号量时能够是多个）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。

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，老是认为只要不去作正确的同步措施（例如加锁），那就确定会出现问题。

synchronized：

synchronized 关键字是 Java 语言最基本的互斥同步手段，通过编译后，它会在同步块的先后分别造成 monitorenter 和 monitorexit 两个字节码指令，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。

• 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。
• synchronized 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。

ReentrantLock（重入锁）：

java.util.concurrent 包中的 ReentrantLock 也能够用来实现同步，但相比 synchronized，ReentrantLock 增长了一些高级功能：

• 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()）方法只能实现一个隐含的条件。

（2）非阻塞同步

非阻塞同步是一种乐观的并发策略，它在进行同步操做时，不须要把线程挂起，而是先进行操做，若是没有其余线程争用共享数据，那操做就成功了；若是共享数据有争用，产生了冲突，那就再采起其余的补偿措施（最多见的补偿措施就是不断地重试，直到成功为止）。

CAS（比较并交换）：

CAS 指令有 3 个操做数：变量的内存地址 V、旧的预期值 A、新值 B。当且仅当内存地址 V 的值与预期值 A 相等时，将内存地址 V 的值更新为新值 B，不然不执行更新。上述的处理过程是一个原子操做。

CAS 的 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，CAS 操做会认为它历来没有被改变过。但实际上，在这段期间它的值有可能曾经被改为了 B，后来又被改回为 A。这个漏洞称为 CAS 操做的“ABA”问题。

（3）无同步方案

若是一个方法原本就不涉及共享数据，那它天然就无须任何同步措施去保证正确性，所以会有一些代码天生就是线程安全的。

可重入代码（纯代码）：

若是一个方法，它的返回结果是能够预测的，只要输入了相同的数据，就都能返回相同的结果，那它就知足可重入性的要求，固然也就是线程安全的。

可重入代码有一些共同的特征，例如不依赖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。

线程本地存储：

若是能保证使用共享数据的代码在同一个线程中执行，那么就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。

2、锁优化

一、自旋锁与自适应自旋

若是物理机有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，咱们就可让后面请求锁的那个线程“稍等一下”，但不放弃处理器的执行时间，而后看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，咱们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这就是所谓的自旋锁。

自适应自旋：

经过前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来肯定自旋的时间。若是在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功得到过锁，那么虚拟机将容许自旋等待持续相对更长的时间。若是对于某个锁，自旋不多成功得到过，那在之后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以免浪费处理器资源。

二、锁消除

锁消除是指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。

锁消除的主要断定依据来源于逃逸分析的数据支持，若是判断在一段代码中，堆上的全部数据都不会逃逸出去从而被其余线程访问到，那就能够把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁天然就无须进行。

三、锁粗化

若是一系列的连续操做都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操做是出如今循环体中的，那么虚拟机将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操做序列的外部，这样只须要加锁一次就能够了。

四、轻量级锁

轻量级锁并非用来代替重量级锁的，而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。

对象头的 Mark Word 实现轻量级锁和偏向锁的关键。Mark Word 有一个 2bit 的锁标志位，用于标识对象的锁状态。

轻量级锁的加锁过程：

1. 进入同步块时，若是同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机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 拷贝。
2. 虚拟机使用 CAS 操做将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针。
3. 若是 CAS 操做成功，那么线程就拥有了该对象的锁，而且对象 Mark Word 的锁标志位将转变为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
4. 若是 CAS 操做失败，虚拟机会检查对象的 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该对象的锁，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。
5. 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。

轻量级锁的解锁过程：

1. 若是对象 Mark Word 仍然指向线程的锁记录，那就用 CAS 操做把对象的 Mark Word 更新为线程中的 Mark Word 拷贝。
2. 若是 CAS 操做成功，整个同步过程就完成了。
3. 若是 CAS 操做失败，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。

五、偏向锁

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。

偏向锁是指这个锁会偏向于第一个得到它的线程，若是在接下来的执行过程当中，该锁没有被其余线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不须要再进行同步。

偏向锁锁的执行过程：

1. 锁对象第一次被线程获取时，虚拟机把对象 Mark Word 中的标志位设为“01”，即偏向模式。
2. 使用 CAS 操做把获取到这个锁的线程 ID 记录在对象的 Mark Word 中。
3. 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，虚拟机都再也不进行任何同步操做。
4. 当有另一个线程尝试获取这个锁时，则结束偏向模式。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态。

结语

妈呀！终于写完了~

讲道理，当初花三个月把这本书啃完的时候，原本还打算至少在过年的时侯把笔记整理完的。没成想，只由于看了一眼《半小时漫画中国史》，顿时就以为硬邦邦的技术书籍一点也不香了。直到我看完了三本《半小时漫画中国史》才恍然惊醒——

唉？我只是个假的文艺青年啊，看这种书不太好吧？身为假程序员的我，真是羞愧！

后来呢，由于疫情的缘由，过年的假期延长了一周。那段时间我就一直在想：我是否是忘记了什么？然而，由于我告诉我：作任何事情都要专一，开黑的时候不能分心。我以为我说得挺有道理的，因此我也就没太深究。后来我才知道，原来我得了失忆症，这种失忆症的名字叫作“过后自我欺骗型失忆症”。

唉，真是羞愧！