Java线程安全与锁优化

1 - 线程安全的定义

当多个线程访问一个对象时，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，那这个对象是线程安全的。——《Java Concurrency In Practice》

1.1 线程安全类型

为了更加深入地理解线程安全，我们将Java语言中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、线程兼容和线程对立。

• 不可变 : 一定是线程安全的，包括final修饰的基本数据类型，以及不可变对象，例如java.lang.String类对象，对象的行为不会对其状态产生任何影响。

• 绝对线程安全：绝对线程安全通常需要付出很大的，甚至是不切实际的代价，所以一般难以实现。

• 相对线程安全：通常意义上的线程安全，在调用的时候不需要做额外的保障措施，但是对于一些特定顺序的连续调用，就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性

• 线程兼容：指的是对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全地使用

• 线程对立：无论调用端是否采用了同步措施，都无法再多线程环境中并发使用的代码，由于Java语言天生具备多线程特性，这种排斥多线程的代码很少出现

1.2 线程安全的实现方法

1.2.1 互斥同步

互斥同步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、互斥量、信号量都是主要的互斥实现方式。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synchronized明确制定了对象参数，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。

1.2.2 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带来的性能问题，因此这种同步也成为阻塞同步。非阻塞同步是先进行操作，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就成功；如果数据有争用，产生了冲突，那就采取其他的补偿措施。

1.2.3 无同步方案

对于一个方法本来就不涉及共享数据，那就自然无须同步措施来保证正确性。

• 可重入代码：在代码执行的任何时候中断它，转而去执行另一段代码，控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。

• 线程本地存储：共享数据的代码是否能在同一个线程中执行，如“生产者-消费者”模式。

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2 - 锁优化^[1]

2.1 自旋锁与自适应锁

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。如果物理机器有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以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，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
　　自旋等待不能代替阻塞，虽然避免了线程切换的开销，但是还要占用处理器时间的。如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源。
　　自适应的自旋锁指的是由前一次在同一个锁上的自选时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进入它将允许自旋等待持续相对更长的时间。

2.2 锁消除

如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然无需进行。

//一段看起来没有同步的代码
public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    return s1 + s2 + s3;
}

//经过Javac转化后的字符串连接操作
public String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    sb.append(s3);
    return sb.toString();
}

每个StringBuffer.append()方法都有一个同步块，锁就是sb对象，sb的所有引用永远不会“逃逸”到concatString()方法之外，其他线程无法访问到它，这里的锁，可以被安全地消除掉。

2.3 锁粗化

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（粗化）到整个操作序列的外部，例如上述代码，扩展第一个append()操作之前直至最后一个append()操作之后，这样只需加锁一次。

2.4 轻量级锁

轻量级锁是JDK 1.6之中加入的新型锁机制，它名字中的“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，因此传统的锁机制就被称为“重量级”锁。首先需要强调一点的是，**轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，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。 **
　　HotSpot虚拟机的对象头(Object Header)分为两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分代年龄，称为“Mark Word”。它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。另一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针。

Mark Word

标志位不同，代表着25bit的对象存储内容也是不同的，具体如下表：

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	膨胀
空，不需要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word），这时候线程堆栈与对象头的状态如图２所示。

图２　轻量级锁CAS操作之前堆栈与对象的状态

然后，虚拟机将使用CAS ^[2] 操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word的最后两个Bits）将转变为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图3所示。

图３　轻量级锁CAS操作之后堆栈与对象的状态

如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 　　
　　上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来，如果替换成功，整个同步过程就完成了。如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。 　　
　　轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验数据。如果没有竞争，轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销，但如果存在锁竞争，除了互斥量的开销外，还额外发生了CAS操作，因此在有竞争的情况下，轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

2.5 偏向锁

偏向锁也是JDK 1.6中引入的一项锁优化，它的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。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。
　　偏向锁的“偏”，就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”。它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。 　　
　　如果读者读懂了前面轻量级锁中关于对象头Mark Word与线程之间的操作过程，那偏向锁的原理理解起来就会很简单。假设当前虚拟机启用了偏向锁（启用参数-XX:+UseBiasedLocking，这是JDK 1.6的默认值），那么，当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机将会把对象头中的标志位设为“01”，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时，虚拟机都可以不再进行任何同步操作（例如Locking、Unlocking及对Mark Word的Update等）。 　　
　　当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行。偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系如图4所示。

图4　偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡（Trade Off）性质的优化，也就是说它并不一定总是对程序运行有利，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。在具体问题具体分析的前提下，有时候使用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。

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1. 《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》 ↩

2. 比较并交换（Compare and Swap, CAS） ↩