线程安全与锁优化

Posted 2021-03-13 huih

1.线程安全：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，或者在调用方法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，那这个对象就是线程安全的。

2.Java语言中的线程安全

　根据线程安全的安全程度由强到弱来排序，我们可以把Java语言中各种操作共享的数据分为以下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：不可变的对象一定是线程安全的；Java语言中，如果共享数据是一个基本数据类型，那么只要在定义时使用final关键字修饰它就可以保证它是不可变的。如果共享数据是一个对象，那就需要保证对象的行为不会对其状态产生任何影响，即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之后，它就是不可变的。

　　2）绝对线程安全：就是一个类在任何运行时环境下，调用者都不需要任何额外的同步措施。在Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对线程安全的。

　　3）相对线程安全：就是我们通常所讲的线程安全，它需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，我们在调用时不需要做额外的保障措施。但对于一些特定顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。

　　4）线程兼容：指对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境下可以安全地使用。

　　5）线程对立：指无论调用端是否采取同步措施，都无法在多线程环境中并发使用的代码。

3.线程安全的实现方法

　　1）互斥同步：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时刻只被一个线程使用，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。

　　在Java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码指令都需要一个reference类型的参数来指明锁定和解锁的对象。如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference；如果没有明确指定，那就是synchronized修饰的是实例方法还是类方法，去取对应的对象实例或class对象作为锁对象。

　　根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象锁。如果这个对象没有被锁定，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。如果获取对象锁失败，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同步块对同一个线程来说是可重入的，不会出现把自己锁死的问题。其次，同步块在已经进入的线程执行完成之前，会阻塞后面其他线程的进入。

　　除了synchronized之外，我们还可以使用java.util.concurrent包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步。他们都具备一样的线程重入特性，一个表现为API层的互斥锁（lock和unlock方法配合try/finally语句块来完成），另一个表现为原生语法层面的互斥锁。不过相比synchronized，ReentrantLock增加了一些高级功能，主要有：等待可中断、可实现公平锁以及锁可以绑定多个条件。

　　等待可中断是指当持有锁的线程长期不释放锁时，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。

　　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获得锁。而非公平锁是在锁被释放时，任何一个等待锁是线程都有机会获得锁。synchronized中的锁就是非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可以通过带有布尔值的构造函数要求使用公平锁。

　　锁绑定多个条件是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，只需要多次调用newCondition()方法即可。

　　2）非阻塞同步：基于冲突检测的乐观并发策略，就是先进行操作，如果没有其他线程争用共享资源，那操作就成功了；如果共享数据有争用，产生了冲突，那就再采取其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断重试，直到成功为止），这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起，因此这种同步操作称为非阻塞同步。

　　CAS指令需要有3个参数，分别为内存知（V）、旧的预期值（A）、新值（B）。当且仅当V符合旧预期值A时，处理器用新值B更新V值，否则就不执行更新，但是无论是否更新了V值，都会返回V的旧值。上述过程是一个原子操作。CAS存在的问题：如果一个变量V初次读取时是A值，并且在准备赋值时检查它仍为A值，那我们就说它的值没有被其他线程变过了吗？如果在这段期间曾被改成B，后来又被改回A，那CAS操作就误以为它没有被改变过，这个漏洞称为CAS的ABA问题。JUC包为了解决此问题，提供了一个带有标记的原子引用类，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

　　3）无同步方案：如果一个方法就不涉及共享数据，那就自然无须任何同步措施去保证同步。

　　可重入代码：可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码，而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。所有可重入的代码都是线程安全的。判断代码是否具备可重入性：如果一个方法，它的返回结果是可以预测的，只要输入了相同的数据，就能返回相同的结果，那它就满足可重入性的要求，也就是线程安全的。

　　线程本地存储：如果一个变量要被某个线程共享，可以通过java.util.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。

4.锁优化

　　1）自旋锁与自适应自旋：让后面请求锁的那个线程等待一会，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快会释放锁。为了让线程等待，我们可以让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是自旋锁。如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就非常好；反之，锁占用的时间很长，那么自旋线程只会白白浪费处理器资源，因此，如果自旋超过了限定的次数仍然没有获得锁，就应将线程挂起。自旋次数默认值为10次。

　　JDK1.6之后引入了自适应的自旋锁，意味着自旋的时间不再固定了，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的。

　　2）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，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。

　　3）锁粗化：如果虚拟机探测到一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。

　　4）轻量级锁：本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

　　轻量级锁的执行过程：在代码进入同步块时，如果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建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的运行时数据的拷贝。然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的运行时数据更新为指向锁记录的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象运行时数据的锁标志位将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的运行时数据是否指向当前线程的栈帧，如果只说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志位的状态值为“10”，运行时数据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。

　　解锁过程：也是通过CAS操作来进行的，如果对象的运行时数据仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的运行时数据的拷贝替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试获得该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

　　5）偏向锁：偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉。偏向锁的偏意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。

　　假设当虚拟机启用了偏向锁，那么，当锁对象第一次被线程获取时，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操作把获取到的这个锁的线程ID记录在对象的运行时数据中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作。当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。