《深入理解Java虚拟机》读书笔记7——线程安全与锁优化

        Brian Goetz对线程安全的定义：当多个线程访问一个对象时，如果不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，或者在调度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，那这个对象就是线程安全的。

1.Java语言中的线程安全

        按照线程安全的“安全程度”由强至弱来排序，java里面各种操作共享的数据分为以下5类：不可变，绝对线程安全，相对线程安全，线程兼容，线程对立 。
       不可变：可以是基本类型的final；可以是final对象，但对象的行为不会对其状态产生任何影响，比如String的subString就是new一个String对象各种Number类型如BigInteger和BigDecimal等大数据类型都是不可变的，但是同为Number子类型的AtomicInteger和AtomicLong则并非不可变我觉得原因是它里面状态对象时unsafe对象，所做的操作都是CAS操作，可以保证原子性。

       绝对线程安全：他是完全满足Brian Goetz给出的线程安全的定义，一个类要达到这种程度，需要付出很大的，甚至不切实际的代价。

        相对线程安全：这就是我们通常意义上的线程安全。需要保证对象单独的操作时线程安全的。比如Vector，HashTable，synchronizedCollection包装集合等。

        线程兼容：对象本身不是线程安全的，但可以通过同步手段实现。一般我们说的不是线程安全的，绝大多数是指这个。比如ArrayList，HashMap等。

        线程对立：不管调用端是否采用了同步的措施，都无法在并发中使用的代码。调用suspend()的时候，目标线程会停下来，但却仍然持有在这之前获得的锁定。此时，其他任何线程都不能访问锁定的资源，除非被"挂起"的线程恢复运行。对任何线程来说，如果它们想恢复目标线程，同时又试图使用任何一个锁定的资源，就会造成死锁。

2.线程安全的实现方法

2.1互斥同步

        在多线程访问的时候，保证同一时间只有一条线程使用。而互斥是实现同步的一种手段，临界区(Critical Section)，互斥量(Mutex)，信号量(Semaphore)都是主要的互斥实现方式。java里最基本的互斥同步手段是synchronized，编译之后会形成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，还有个锁的计数器，来记录拥有锁的次数，跟AQS里面的state一样。
        其实在“Java与线程”里已经提到，java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的，不管阻塞还是唤醒都需要操作系统的帮忙完成，都需要从用户态转换到核心态，这是很耗费时间的，是java语言中的一个重量级(Heavyweight)操作，虽然虚拟机本身会做一点优化的操作，比如通知操作系统阻塞之前会加一段自旋等待的过程，避免频繁切换到核心态。
        还可以使用java.util.concurrent包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步，ReentrantLock比synchronized增加了一些高级功能：等待可中断、可实现公平锁以及锁可以绑定多个条件。

2.2非阻塞同步（Non-Blocking Synchronization）

        互斥和同步最主要的问题就是阻塞和唤醒所带来的性能问题，所以这通常叫阻塞同步(悲观的并发策略)。随着硬件指令集的发展，我们有另外的选择：基于冲突检测的乐观并发策略，通俗讲就是先操作，如果没有其他线程争用共享的数据，操作就成功，如果有，则进行其他的补偿(最常见就是不断的重试)，这种乐观的并发策略许多实现都不需要把线程挂起，这种同步操作被称为非阻塞同步。

2.3无同步方案

        有一些代码天生就是线程安全的，不需要同步。其中有如下两类：

• 可重入代码（Reentrant Code）：纯代码，具有不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源，用到的状态量都由参数中传入，不调用非可重入的方法等特征，它的返回结果是可以预测的。
• 线程本地存储（Thread Local Storage）：把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样就无须同步也能保证线程之间不出现数据争用问题。可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。

3.锁优化

        为了在线程之间更高效的共享数据，以及解决竞争问题，从而提高程序的执行效率，创建了各种锁优化技术：适应性自旋（Adaptive Spinning）、锁消除（Lock Elimination）、 锁粗化（Lock Coarsening）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）等。
       自旋锁与自适应自旋：线程挂起和恢复的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力，在许多应用中，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得，可以让后请求锁的线程等待一会儿，但不放弃处理器的执行时间，让线程执行一个忙循环（自旋）。
        自旋锁默认的自旋次数值是10次，可以使用参数-XX:PreBlockSpin更改。
        自适应自旋意味着自旋的时间不再固定，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来决定。
        锁消除：虚拟机即时编译器在运行时，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。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持。
        锁粗化：如果虚拟机探测到有一系列连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，将会把加锁同步的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。
        轻量级锁：使用对象头的Mark Word中锁标志位代替操作系统互斥量实现的锁。轻量级锁并不是用来代替重量级锁，它的本意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。
        轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS（Compare-and-Swap）操作去消除同步使用的互斥量。
        偏向锁：
        和轻量级锁原理基本一致，但偏向锁在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。

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7. 线程安全与锁优化