Java线程安全的实现方法

1.互斥同步

    互斥同步(Mutual Exclusion&Synchronization)是常见的一种并发正确性保障手段。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个时刻只被一个(或者是一些, 使用信号量的时候)线程使用。而互斥是实现同步的一种手段,临界区(Critical  Section)、互斥量(Mutex)和信号量(Semaphore)都是主要的互斥实现方式。因此,在这 4个字里面,互斥是因,同步是果;互斥是方法,同步是目的。
    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。
    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。 在虚拟机规范对monitorenter和monitorexit的行为描述中,有两点是需要特别注意的。首 先,synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的,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。第12章讲过,Java的 线程是映射到操作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中,因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。 对于代码简单的同步块(如被synchronized修饰的getter()或setter()方法),状态转换消 耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。所以synchronized是Java语言中一个重量级 (Heavyweight)的操作,有经验的程序员都会在确实必要的情况下才使用这种操作。而虚拟 机本身也会进行一些优化,譬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 频繁地切入到核心态之中。
    除了synchronized之外,我们还可以使用java.util.concurrent(下文称J.U.C)包中的重入锁 (ReentrantLock)来实现同步,在基本用法上,ReentrantLock与synchronized很相似,他们都 具备一样的线程重入特性,只是代码写法上有点区别,一个表现为API层面的互斥锁 (lock()和unlock()方法配合try/finally语句块来完成),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,主要有以下3项:等待可 中断、可实现公平锁,以及锁可以绑定多个条件。
(1)等待可中断是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,可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。 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 非公平锁则不保证这一点,在锁被释放时,任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。 synchronized中的锁是非公平的,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。
(2)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,而在 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,就不得不额外地添加一个锁,而ReentrantLock则 无须这样做,只需要多次调用newCondition()方法即可。


    如果需要使用上述功能,选用ReentrantLock是一个很好的选择,那如果是基于性能考虑呢?关于synchronized和ReentrantLock的性能问题,Brian Goetz对这两种锁在JDK 1.5与单核处理器,以及JDK 1.5与双Xeon处理器环境下做了一组吞吐量对比的实验 [1] ,实验结果可以看出,多线程环境下synchronized的吞吐量下降得非常严重,而ReentrantLock则能基本保持在同一个比较稳定的水平上。与其说ReentrantLock性能好,还不如说synchronized还有非常大的优化余地。后续的技术发展也证明了这一点,JDK 1.6中加入了很多针对锁的优化措施(13.3节我们就会讲解这些优化措施),JDK 1.6发布之后,人们就发现synchronized与ReentrantLock的性能基本上是完全持平了。因此,如果读者的程序是使用JDK 1.6或以上部署的话,性能因素就不再是选择ReentrantLock的理由了,虚拟机在未来的性能改进中肯定也会更加偏向于原生的synchronized,所以还是提倡在synchronized能实现需求的情况下,优先考虑使用synchronized来进行同步。

2.非阻塞同步

    互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题,因此这种同步也称 为阻塞同步(Blocking Synchronization)。从处理问题的方式上说,互斥同步属于一种悲观的 并发策略,总是认为只要不去做正确的同步措施(例如加锁),那就肯定会出现问题,无论共享数据是否真的会出现竞争,它都要进行加锁(这里讨论的是概念模型,实际上虚拟机会

优化掉很大一部分不必要的加锁)、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。随着硬件指令集的发展,我们有了另外一个选择:基于冲突检测的乐观并发策略,通俗地说,就是先进行操作,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,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地重试,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(Non-Blocking Synchronization)。



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