线程安全及实现原理

一、基本概念

1. 锁（重量级锁）是什么?
   每个对象实例都有一个monitor（C++实现）， synchronize对象锁，其指针指向的是该对象monitor对象的起始地址。

ObjectMonitor {
_count = 0;          // 被获取之后，count + 1
_owner = NULL;   // 获取到锁的线程
_WaitSet = NULL;   // 线程获取锁失败，会被阻塞，进入_WaitSet等待被唤醒
_EntrySet = NULL;  // 多个线程访问同步块，首先进入_EntrySet
}

2. 锁的状态
   java对象头包括两部分：

• 一、存储对象自身的运行数据（如hashCode、GC分代年龄等），此部分称为Mark Word,是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

• 二、用于存储指向方法区对象类型数据的指针。

  
  
  

  Mark Word.png

二、线程安全的实现方法

• 互斥同步
  互斥是因，同步是果
  synchronize编译后，会在同步块前后分别形成monitorenter和monitorexit，这俩字节码都需要一个reference类型的参数来指明锁定和解锁的对象。
  如果synchronize明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference。如果没指定，那就根据synchronize修饰的是实例方法还是类方法，取相应的对象实例或者Class对象作为锁对象。
  synchronize是可重入的，不会出现自己把自己锁死的情况。
  相比ReentrantLock，二者很相似，目前性能也基本持平，只是ReentrantLock增加了一些高级功能，如**等待可中断、公平锁、绑定多个条件。

• 非阻塞同步
  互斥同步最主要的问题就是线程阻塞和唤醒带来的性能问题，属于一种悲观锁。
  而基于冲突检测的乐观并发策略，如CAS指令，比如JDK中incrementAndGet,就是用for(;;)不断重试，直到设置成功为止。

• 无同步方案
  线程本地存储（ThreadLocal）
  ThreadLocal: 在每个线程都创建了一个变量副本

public T get() {};  // 获取ThreadLocal 在当前线程保存的变量副本
public void set(T value) {}; // 设置当前线程中的变量副本
public void remove() {};  // 移除当前线程中变量副本
protected T initialValue() {};

实现方式：每个线程Thread内部都有一个ThreadLocal.ThreadLocalMap类型的成员变量threadLocals,此变量是用来保存变量副本的，当前threadLocal对象为key，value为变量值。

public T get()   {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);  // 返回当前线程ThreadLocal.ThreadLocalMap对象
if （null != map）
{
     ThreadLocalMap.Entry entry = map.getEntry(this);  
     // 注意，key是ThreadLocal对象，而非线程对象。
     if（null != entry）
     {
         return (T)entry.getValue();
     }
     return setInitialValue();
}
}

三、锁优化

• 自旋锁与自适应锁
  对互斥同步性能影响最大是阻塞的实现、挂起和恢复等需要转入内核实现的操作。
  自旋就是忙循环，让线程稍等一会，而不放弃处理器的执行时间。
• 锁消除
  对不可能存在共享竞争的锁进行消除

• 轻量级锁

  
  
  

  图片1.png

JVM首先在当前线程的帧栈中建立一个名为Lock Record 的空间，用于存储锁对象目前的mark word 拷贝。然后，JVM尝试用CAS操作，将锁对象的Mark word更新为指向Lock Record的指针，如果成功了，那么线程就拥有了该对象锁，mark word状态更新为00，表示此对象处于轻量级所状态。

图片2.png

• 偏向锁
  偏向于第一个获取它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
  具体过程和轻量级锁类似，只不过需要保存在mark word中保存偏向线程id，并且标志位为01

四、synchronize 实现原理

jdk1.6之前，synchronize是典型的互斥同步，然而互斥同步最大的问题就是线程的阻塞与唤醒带来的性能问题，1.6之后jdk团队对锁的各项优化也应用到synchronize上面：
锁升级（不能降级）
无状态锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁