JVM学习篇（4）之线程安全与锁优化

线程安全与锁优化

Java中线程安全

对共享数据的操作

1.        不可变：

不可变的对象一定是线程安全的。如String类。

2.        绝对线程安全

3.        相对线程安全

4.        线程兼容

5.        线程对立

线程安全的实现方法

1.        互斥同步（阻塞式同步）

1)        同步指的是：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能被一个线程使用。

2)        互斥指的是：同步的手段。如：临界区、互斥量和信号量。

3)        最基本的同步互斥手段：synchronized关键字。

a)        原理：synchronized关键字经过编译后，会在同步代码块前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。

b)        在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象锁。若这个对象没被设定锁，或已经拥有了这个对象锁，把锁的计数器+1。

c)        相应的执行monitorexit指令时，锁计数器-1，当为0时释放锁。

d)        若获得对象失败则阻塞当前线程。

4)        另一种手段：ReentrantLock来实现

reentrantLock增加的新功能：

a)        等待中断：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。

b)        公平锁：可以讲多个线程在等待同一个锁时，必须按照申请锁的时间顺序依次获得锁。

c)        锁绑定多个条件：一个ReentranLock对象可以同时绑定多个Condition对象。

5)        两种方式的比较：

a)        在JDK1.6之前在多线程环境中synchronized的吞吐量下降的严重，但ReentranLock性能几乎不变。

b)        在JDK1.6之后二者性能基本上持平。

c)        应该优先考虑使用synchronized来同步。

2.        非阻塞同步

1)        互斥同步属于一种悲观的并发策略。即总认为不去做同步措施就一定会出现问题，故无论共享数据是否真的会出现竞争，都要加锁。

2)        非线程阻塞：是基于冲突检测的乐观并发控制策略。即先操作，如果没有其它线程征用共享数据，则成功。如果共享数据有征用，采取补偿措施。（不断的重试，直到成功）

3.        无同步方案

如果方法中不涉及共享数据，那它自然无须任何同步措施去保证正确性。

1)        可重入代码

可重入的代码都是线程安全的，但并非所有的线程安全的代码都是可重入的。

2)        线程本地保存

锁优化

锁优化技术：适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁。

适应性自旋

1.        自旋锁：当两个或两个以上的线程同时并行执行，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，看看持有所的线程是否能很快释放锁。

2.        缺点：自旋的线程只会白白消耗处理器资源，带来性能上的浪费。故需要使等待时间有一定的限度

3.        改进：等待时间要自适应。等待时间随着程序运行和性能监控信息的不断完善。

锁消除

1.        锁消除：虚拟机及时编译器在运行时，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。

2.        判断依据：源于逃逸分析的数据支持。若堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以吧它们当作栈上的数据看待。

粗粒化

1.        上面出现的问题：如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中，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。

2.        措施：如果虚拟机探测到有这样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外部】。

轻量级锁

1.        加锁过程：

1)        代码进入到同步代码块的时候，如果此同步对象没有被锁定，将会在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）空间，用来存储对象目前的头数据。

2)        将对象的头记录更新为指向Lock Record的指针。

a)        更新成功：那么这个线程就拥有了该对象的锁

b)        失败：检查对象的对象头是否指向当前线程的栈帧。

a)        是：说明当前线程已经拥有这个对象的锁，直接进入同步块中执行。

b)        否：说明这个锁对象已经被其他线程抢占。

3)        如果两条以上线程征用同一个锁，那轻量级锁失效。

2.        解锁过程：

1)        若对象的对象头仍然指向现成的锁记录，则把对象当前的Mark Word和线程中副本替换回来。

a)        成功：整个同步过程完成

b)        失败：说明其他线程尝试获取该锁，那就要释放锁的同时唤醒被挂起的线程。

偏向锁

1.        与轻量级锁的区别：

轻量级锁：是在无竞争情况下，消除同步使用的互斥量。

偏向锁：在无竞争情况下把整个同步都消除掉。

2.        加锁过程：

1)        当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机包对象头中的标记为设为“01”。

2)        把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中。

a)        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，可不再进行任何同步操作。

3.        解锁过程：

1)        当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式宣告结束。

2)        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“01”或“00”。

4.        优点：

提高带有同步但竞争的程序性能。