第13章 线程安全与锁优化

第一节：线程安全

• 概述：代码本身封装了所有的正确性保障手段。另调用者无须关心多线程的问题，也无须采取任何措施来保证多线程的正确调用。

一、java中的线程安全

概述：

• 线程安全由强到弱排序，共享数据分为五类
  • 不可变
  • 绝对线程安全
  • 相对线程安全
  • 线程兼容性
  • 线程对立

1、不可变

• 不可变对象一定是线程安全的，无论方法的实现和调用者，都不需要在采取任何的安全措施。
• 只要一个不可变对象被正确构建出来，那么它的状态就永远不可变，永远不会出现多线程不一致的情况

2、绝对线程安全

• 不管运行环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施。成本非常高
• java API中标注线程安全类大部分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)

• 需要保证这个对象单独操作是线程安全的，调用时不用做额外的保障措施。对一些特定顺序的连续调用，可能在调用端使用额外的同步措施。

4、线程兼容性

• 对象本身不是线程安全的。但是调用端正确的使用同步手段，保证对象在并发情况下安全。
• 通常说这个类不是线程安全的，指的就是这种情况

5、线程对立(有害死锁)

• 无论在调用端是否采用了同步措施，都无法在多线程情况下并发使用代码
• 两个线程同时持有一个对象，一个尝试中断线程，另一个尝试修复线程，造成死锁

二、线程安全的实现方法

1、互斥同步

• 概述：悲观并发策略，不做正确同步就会出问题。
  • 无论共享数据是否真的存在竞争，都要加锁(目前实际有优化)
• 同步：多线程并发访问共享数据，保证该数据同一时间只被一个线程使用。
• 互斥：实现同步的手段，临界区、互斥量、信号量都是实现同步的手段
• synchronized重入锁，会被拆分成monitorenter和monitorexit两个字节码指令
  • 这两个字节码都需要一个reference类型参数指定要锁定和解锁的对象。
  • 执行monitorenter时，线程尝试获取锁。
    • 获取成功或已持有锁，执行monitorenter时，锁计数器+1。执行monitorexit时，锁计数器-1。当锁计数器为0时，释放锁。
    • 获取失败就要线程等待，锁被释放
    • synchronized对同一个锁是可以重入的，不会造成自己锁死自己
    • 同步块进入线程，在执行完成之前，阻塞其他线程(自旋锁或直接挂起)
    • synchronized阻塞或唤醒线程，是在用户态和内核态之间切换，重量级锁开销大(虽然可能会采用自旋等待)
• ReentrantLock重入锁
  • 等待中断：持有锁的线程长期不释放，其他等待线程放弃等待，改为处理其他事情
  • 公平锁：多个线程在同时等待锁时，必须按照时间上的申请前后依次获取。非公平锁随机获取(两个关键字均是非公平锁，但ReentrantLock可以设置为公平锁)
  • 锁绑定多个条件，一个ReentrantLock可以绑定多个Condition对象。
  • ReentrantLock和synchronized在性能上差距不大

2、非阻塞同步

• 概述：基于冲突检测的乐观并发策略
  • 先操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功了
  • 如果共享数据有争用，发生冲突，那就采用补偿措施(不断重试直至成功)，乐观策略大多不会挂起线程
• 操作和冲突检测需要原子性
  • 测试并设置
  • 获取并增加
  • 交换
  • 比较并交换(compare-and-sweep，CAS)
  • 加载连接/存储条件
• CAS指令操作(内存位置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B更新V，否则不更新。无论更新与否都要返回V的旧值，这是个原子操作
  • 在New对象时，主内存中采用的就是CAS乐观并发+重试机制
• CAS无法解决ABA问题
  • 假如初次读取变量V的值为A，准备赋值时发现V的值仍为A，CAS认为没有变化
  • 实际，并不能确定这两次读取间隙，有没有其他线程修改了V值，然后又改回了A。
  • 不影响并发

3、无同步方案

• 概述：同步是保证多线程争用共享数据时正确性手段，如果不涉及共享数据那么本身就是安全的。、
• 可重入代码(纯代码)
  • 可以在代码执行的任意时刻中断，转而去执行其他代码，而在控制权返回后代码不会出现任何错误
    • 不依赖堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数传入、不调用非可重入的方法等
  • 如果一个方法的结果是可预测的，输入相同的数据，就能返回相同的结果，线程安全的
• 本地线程存储
  • 把共享数据的可见范围控制在一个线程内
    • 生产者-消费者
  • java.lang.ThreadLocal实现本地线程存储功能
  • 在Eden空间分配新建obj空间的时候，也可以采用本地线程存储

第二节：锁优化

一、自旋锁和自适应锁

概述

• 挂起和恢复线程都需要在内核态和用户态之间切换，但共享状态数据锁定时间又很短，不值来回切换。
• 如果系统又多个物理核心，那么并发情况下，让请求锁的线程B不放弃处理器执行时间，查看能否很快获取到锁，让线程B执行忙循环(自旋)，被称之为自旋锁
• 自旋锁不能取代阻塞，等待一定限度，超过限度仍没有获取到锁，那就采用传统方式挂起(浪费了更多的资源)

JDK1.6自适应的自旋锁

• 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状态决定的。
• 如果上一次在同一个锁对象上，自旋等待获取成功，且持有锁的线程在运行。那么jvm会认为本次仍然能成功，进而允许自旋锁等待更长的时间
• 如果对于某个锁，自旋很少获得成功。那么以后获取该锁时，可能会放弃自旋锁

二、锁消除

概述：

• jvm即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但被检测到不存在共享数据竞争的锁进行消除。
• 如果判断一段代码，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那么就把它们当做栈上数据，认为线程私有
• 方法内部创建锁对象，这个对象外部不能访问，且方法结束，对象结束

三、锁粗化

概述：

• 尽量让同步代码块小，这样等待线程可以尽快拿到锁。
• 但是频繁的加锁、解锁，造成资源浪费。jvm探测到有这样连续对同一个对象加锁，会把加锁的同步范围扩展到整个操作的外部。

四、轻量级锁

1、对象头(Object Header)

• 一部分，对象存储自身的运行时数据(Mark-world,数组)
  • 哈希码(HashCode)、GC分代年龄、偏向线程ID、偏向时间戳、指向锁记录的指针、指向重量级锁的指针
  • 实现偏向锁和轻量级锁的关键
• 另一部分，存储指向方法区对象类型数据的指针，
• 如果是数组还有额外的部分存储数组长度

2、CAS轻量级加锁

• 代码进入同步块时，对象没有被锁定，jvm现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Mark-World的拷贝
• jvm使用CAS尝试将对象头中的Mark-World的指针，指向栈帧中的锁记录(Lock Record)
  • 更新成功，并且将Mark-World的锁标志位修改为00，表示轻量级锁定。那么这个obj也就和对象栈帧中的 锁记录(Lock Record)建立了联系
  • 更新失败，jvm先检查该对象的Mard-World是不是指向本线程的栈帧内的锁记录(Lock Record)。如果是，那就继续执行。如果不是，就转化为重量级锁，线程阻塞

3、CAS轻量级解锁

• 如果对象的mark-world指向栈帧中的锁记录(Lock Record)，那就用CAS把当前对象的Mark-World和栈帧中锁记录(Lock Record)内容替换回来
• 替换成功，同步完成
• 替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，那就释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

总结：轻量级锁提升性能靠的是，对于绝大部分的锁，在整个存在周期中是不存在竞争的

• 如果没有竞争CAS回避了互斥量的开销
• 如果有竞争，会比重量级锁开销更大

五、偏向锁

概述：

• 这个锁会偏向于第一个获取它的线程，如果接下来的执行过程，该锁没有被其他的线程获取，则持有该偏向锁的线程无需在进行同步。

1、jvm启用偏向锁

• 锁对象第一次被线程获取的时候，会把对象头中的标志位设置为“01”，即偏向模式
• CAS操作会把获取到锁的线程ID记录在对象的Mark-World
  • 如果操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁同步块的时候，都不用进行任何同步操作
  • 当有另一个线程尝试获取该锁的时候，偏向模式结束

2、偏向锁

• 偏向锁可以提高带有同步，但无竞争的程序性能。但不一定总是有利，如果锁总是被多个不同线程访问那么性能就不高