线程安全与锁优化

Posted 2020-08-09 没有梦想的小灰灰

线程安全的概念限定于多个线程之间存在共享数据访问这个前提，因为如果一段代码根本不会与其他线程共享数据，那么从线程安全的角度来看，程序是串行执行还是多线程执行对它来说完全没有区别。

 

线程安全的程度：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，只要一个不可变对象被正确地构建出来（没有发生this引用逃逸情况），那其外部的可见状态永远也不会改变 ，永远也不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。如Integer类，内部状态变量value定义为final来保障状态不变。

 

2.绝对线程安全

要达到不管运行的环境如何，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

通常意义上的线程安全，需要保证对这个对象的单独操作是线程安全的，在调用的时候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。如Vector、HashTable、Collections的synchronizedCollection（）方法包装的集合。

 

4.线程兼容

指对象本身不是线程安全的，但是可以通过调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全地使用，Java API大部分类属于线程兼容，如ArrayList、HashMap。

 

5.线程对立

无论调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境下并发使用的代码。有害的，应该尽量避免，如Thread类的suspend（）和resume（）方法，如果两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试去中断线程，一个尝试去恢复线程，并且并发进行，无论调用时是否进行了同步，目标线程都存在死锁风险，所以这两个方法已经被声明废弃。

 

线程安全的实现方法：

1.互斥同步，同步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（或者是一些，使用信号量的时候）线程使用，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，最基本的同步手段是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译后，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类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果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，会根据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对象来作为锁对象。

在执行monitorenter指令时，首先尝试获取对象的锁，如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1，相应的，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，如果获取对象的锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。

synchronized同步块对一条线程是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题，其次，同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。

Java的线程是映射到系统的原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态转换到核心态，因此状态转换需要耗费很多处理器时间，对于代码简单的同步块，状态转换小号的时间有可能比用户代码执行的时间还要长，所以synchronized是Java中一个重量级的操作，虚拟机本身会进行一些优化，如在通知操作系统阻塞线程之前加入一段自旋等待过程，避免频繁切入到核心态之中。

 

除了synchronized外，还可以使用java.util.concurrent包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步，synchronized表现为原生语法层面的互斥锁，ReentrantLock表现为API层面的互斥锁（lock（）和unlock（）方法配合try/finally语句块来完成）。ReentrantLock增加一些高级功能，主要有以下3项：等待可中断、可实现公平锁、锁可以绑定多个条件。

等待可中断：指当持有锁的线程长期不释放锁的时候，正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情，对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。

公平锁：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，而非公平锁在锁释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁，synchronized的锁时非公平的，ReentrantLock默认情况下也是非公平的，但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。

锁绑定多个条件：指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而synchronized中，锁对象的wait（）和notify（）或notifyAll（）方法可以实现一个隐含的条件，如果要和多于一个的条件关联的时候，就不得不额外添加一个锁，而ReentrantLock只需多次调用newCondition（）方法即可。

 

非阻塞同步

互斥同步主要的问题是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因此这种同步称为阻塞同步。互斥同步属于悲观并发策略，总认为只要不去做同步措施，那就肯定会出现问题，无论共享数据是否真的出现竞争，都要进行加锁。基于硬件指令集的发展，有了另外一种选择：基于冲突检测的乐观并发策略，就是先进行操作，如果没有其他线程征用共享数据，那操作就成功了，如果共享数据有争用，产生冲突，那就再采取其他补救措施（常见的补救措施是不断重试，直到成功为止），因为这种策略的许多实现不需要把线程挂起，因此称为非阻塞同步。

比较并交换（Compare-and-Swap）

CAS指令需要3个操作数，分别是内存位置（简单理解为变量的内存地址，用V表示）、旧的预期值（A表示）和新值（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，否则不执行更新，但是无论是否更新V的值，都会返回V的旧值，整个处理过程是一个原子操作。

ABA问题，CAS从语义上来说并不完美，存在一个逻辑漏洞，如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然为A值，那么CAS认为它的值没被改变过，但这段期间可能A值曾经被改成B，后来又改回A。有一个带标记的原子引用类AtomicStampedStampedReference，可以通过控制变量的版本来保证CAS的正确性，不过大部分情况下ABA问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

 

线程本地存储，java.lang.ThreadLocal类可以实现线程本地存储功能，每一个线程的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得K-V值对，ThreadLocal对象时当前线程的ThreadLocalMap的访问入口，每一个ThreadLocal对象包含一个独一无二的threadLocalHashCode值，使用这个值可以在线程K-V值对中找回对应的本地线程变量。

 

锁优化

1.自旋锁与自适应自旋

共享数据的锁定状态可能只持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程不值得。如果物理机器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，可以让后面请求锁的线程“等待一段时间”，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快释放锁，为了让线程等待，让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是自旋锁。

JDK 1.6引入自适应自旋，自旋时间不固定，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。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行，那么虚拟机会认为这次自旋也很可能再次成功，进而允许自旋等待持续相对更长的时间，另外，如果对于某个锁，自旋很少成功，那么在以后获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

 

2.锁消除

指在虚拟机即时编译器运行时，对一些代码上要求同步，但被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除，判定依据来源于逃逸分析的数据支持，如果一段代码，堆上的所有数据都不会逃逸出去被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为是线程私有的，同步加锁无需进行。

 

3.锁粗化

如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁出现在循环体中，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。如果虚拟机检测到有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到整个操作序列的外部。

 

4.轻量级锁

 在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定，虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，称为Displaced Mark Word，然后使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如果更新动作成功，那么线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位转变成“00”，表示处于轻量级锁定状态。如果更新动作失败，先检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象被其他线程抢占了，如果有两条以上线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值转变为“10”。解锁过程也是通过CAS操作进行，如果对象的Mark Word仍然指向线程的锁记录，就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word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过获取锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

轻量级锁使用CAS操作避免使用互斥量的开销，如果存在锁竞争，除了互斥量的开销，还额外发生了CAS操作。

 

5.偏向锁

在无竞争情况下把整个同步消除掉，连CAS操作都不做了。

偏向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，该锁没有被其他线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要同步。