Java JVM：线程安全与锁优化（八）

一、线程安全

• 当多个线程同时访问一个对象时，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，那就称这个对象为线程安全
• 共同特征
  • 代码本身封装了所有必要的正确性保障手段（互斥同步等），令调用者无须关心多线程下的调用问题，更无须自己实现任何措施来保障多线程环境下的正确调用
  • 白话文：代码本身已经有了必要的正确性保障手段，像什么互斥同步这些，调用的时候就不需要自己实现任何操作保障多线程下正确调用
• Java 语言中的线程安全
  • Java 语言中各种操作共享的数据分为以下五类
    • 不可变
      • 一定是线程安全的，把对象里面带有状态的变量都声明为 final
    • 绝对线程安全
      • 要达到不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施，需要付出高昂的，甚至不切实际的代价
      • Vector 时一个线程安全的容器，所有方法都是 synchronized 修饰的
    • 相对线程安全
      • 通常意义上的线程安全，需要保证单次操作时线程安全的，调用时候不需要额外的操作
    • 线程兼容
      • 对象本身不安全，调用的时候使用同步手段来保证安全
    • 线程对立
• 线程安全的实现方法
  • 互斥同步
    • 同步是指多个线程并发访问共享数据时，保证同一时刻只有一条线程使用，互斥时实现同步的手段
      • 互斥是因，同步是果
    • 最基本的就是 synchronized，编译后形成 monitorenter 和 monitorexit 两个字节码指令
      • 执行前者时，锁的计数器加一，后者减一，值为零就是无锁
      • 在执行时会无条件阻塞后面其他线程的进入
    • 重入锁（ReentrantLock）
      • 和 synchronized 一样时可重入的，多了三个高级功能
      • 等待可中断：持有锁长期不释放，其他线程可以放弃等待
      • 公平锁：按照申请锁的时间顺序来依次获得锁
      • 非公平是任何一个等待锁的线程都有机会获得（两个都是，Lock 可以改）
      • 锁绑定多个条件：ReentrantLock 可以同时绑定多个 Condition 对象
  • 非阻塞同步
    • 先进行操作，没有线程竞争操作就成功，有竞争会进行补偿措施（不断重试，直到没有竞争）
    • 这种乐观并发策略的实现不需要把线程阻塞挂起，这就是非阻塞同步
  • 无同步方案
    • 有些代码天生就是线程安全
    • 可重入代码：可以任意时刻中断去执行另外一段代码，返回后程序不出现错误
      • 不依赖全局变量、存储在堆上的数据和公用的系统资源
    • 线程本地存储：如果数据需要共享，需要看看共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。

二、锁优化

• 自旋锁与自适应自旋
  • 为了让线程等待，我们只须让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁
  • 如果锁占用时间很短，自旋等待的效果就会非常好，反之如果锁占用的时间很长，那么自旋只会白白消耗处理器资源
  • 自旋次数的默认值是十次，用户也可以使用参数 -XX：PreBlockSpin 来更改
  • 自适应意味着自旋的时间不再是固定的，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决定的
    • 对于某个锁，自旋很少成功获得过，可以直接忽略自旋过程
• 锁消除
  • 指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码要求同步，但是对被检测到不可能存在共享数据竞争对锁进行消除
• 锁粗化
  • 如果虚拟机探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到外部
• 轻量级锁
  • 设计的初衷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
  • 对象除了未被锁定的正常状态外，还有轻量级锁定、重量级锁定、GC 标记、可偏向等不同状态
  • 如果出现两条以上的线程争用同一个锁的情况，那轻量级锁就不再有效，必须要膨胀为重量级锁
  • 轻量级锁通过 CAS 操作成功避免了使用互斥量的开销
• 偏向锁
  • 目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能
  • 偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连 CAS 操作都不去做了
  • 偏就是偏心的偏，这个锁会偏向第一个获得它的线程
  • 一旦出现另外一个线程去尝试获取这个锁，偏向模式就马上宣告结束
  • 如果程序中大多数的锁都总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的