《深入理解Java虚拟机》读书笔记----线程安全与锁优化

本篇为JVM专栏第七篇，也是最终章，讲解线程安全和锁优化相关知识。上篇是内存模型与线程，还没看的可以补补课哈。

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线程安全

Java并发编程实战的作者BrianGoetz为“线程安全”做出了一个比较恰当的定义：“当多个线程同时访问一个对象时，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，那就称这个对象是线程安全的。”

Java中的线程安全

Java中各种操作共享的数据分为以下五类

• 不可变

  不可变的对象一定是线程安全的，不需要再进行任何线程安全保障措施。“不可变”带来的安全性是最直接、 最纯粹的。保证对象行为不影响自己状态的途径有很多种，最简单的一种就是把对象里面带有状态的变量都声明为final，这样在构造函数结束之后，它就是不可变的

• 绝对线程安全

  绝对的线程安全能够完全满足线程安全的定义

• 相对线程安全

  相对线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全它需要保证对这个对象单次的操作是线程安全的，我们在调用的时候不需要进行额外的保障措施，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。

  在Java中，大部分声称线程安全的类都属于这种类型，例如Vector、HashTable、Collections的synchronizedCollection()方法包装的集合等。

• 线程兼容

  线程兼容是指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。我们平常说一个类不是线程安全的，通常就是指这种情况。Java类库API中大部分的类都是线程兼容的，如与前面的Vector和HashTable相对应的集合类ArrayList和HashMap等。

• 线程对立

  线程对立是指不管调用端是否采取了同步措施，都无法在多线程环境中并发使用代码。由于Java天生就支持多线程的特性，线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的，而且通常都是有害的，应当尽量避免。一个线程对立的例子是Thread类的suspend()和resume()方法。如果有两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试去中断线程，一个尝试去恢复线程，在并发进行的情况下，无论调用时是否进行了同步，目标线程都存在死锁风险——假如suspend()中断的线程就是即将要执行resume()的那个线程，那就肯定要产生死锁了。也正是这个原因，suspend()和resume()方法都已经被声明废弃了。常见的线程对立的操作还有System.setIn()、Sytem.setOut()和System.runFinalizersOnExit()等。

线程安全的实现方法

互斥同步

互斥同步是一种最常见也是最主要的并发正确性保障手段。

1、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条线程使用。

2、互斥是实现同步的一种手段，临界区、互斥量和信号量都是常见的互斥实现方式。因此在互斥同步这四个字里面，互斥是因，同步是果。互斥是方法，同步是目的。

3、在Java里面，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，这是一种块结构的同步语法。

synchronized的原理：

synchronized关键字经过Javac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。这两个字节码指令都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java源码中的synchronized明确指定了对象参数，那就以这个对象的引用作为reference。如果没有明确指定，那将根据synchronized修饰的方法类型，来决定是取代码所在的对象实例还是取类型对应的Class对象来作为线程要持有的锁。

在执行monitorenter指令时，首先要去尝试获取对象的锁。如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经持有了那个对象的锁，就把锁的计数器的值增加一，而在执行monitorexit指令时会将锁计数器的值减一。一旦计数器的值为零，锁随即就被释放了。如果获取对象锁失败，那当前线程就应当被阻塞等待，直到请求锁定的对象被持有它的线程释放为止。

我们可以根据上述原理得出两个关于synchronized的推论：

• 被synchronized修饰的同步块对同一条线程来说是可重入的。这意味着同一线程反复进入同步块也不会出现自己把自己锁死的情况。
• 被synchronized修饰的同步块在持有锁的线程执行完毕并释放锁之前，会无条件地阻塞后面其他线程的进入。这意味着无法像处理某些数据库中的锁那样，强制已获取锁的线程释放锁，也无法强制正在等待锁的线程中断等待或超时退出

从执行成本的角度看，持有锁是一个重量级的操作Java的线程是映射到操作系统的原生内核线程之上的，如果要阻塞或唤醒一条线程，则需要操作系统来帮忙完成，这就不可避免地陷入用户态到核心态的转换中，进行这种状态转换需要耗费很多的处理器时间。尤其是对于代码特别简单的同步块状态转换消耗的时间甚至会比用户代码本身执行的时间还要长。所以synchronized是重量级的操作。

从JDK5起，Java就提供了java.util.concurrent包，其中的java.util.concurrent.locks.Lock接口便成了Java的另一种全新的互斥同步手段。基于Lock接口能够以非块结构来实现互斥同步，从而摆脱了语言特性的束缚，改为在类库层面去实现同步。

重入锁(ReentrantLock)是Lock接口最常见的一种实现，顾名思义，它与synchronized一样是可重入的。在基本用法上，ReentrantLock也与synchronized很相似，只是代码写法上稍有区别而已。不过，ReentrantLock与synchronized相比增加了一些高级功能，主要有以下三项

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。

2、可实现公平锁

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在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。不过一旦使用了公平锁，将会导致ReentrantLock的性能急剧下降，会明显影响吞吐量。

3、锁可以绑定多个条件

是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象。在synchronized中，锁对象的wait()跟它的notify()或者notifyAll()方法配合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，就不得不额外添加一个锁;而ReentrantLock则无须这样做，多次调用newCondition()方法即可。

如果需要上述功能可以考虑选用ReentrantLock。

非互斥同步

互斥同步面临的主要问题是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能开销，因此这种同步也被称为阻塞同步。互斥同步属于一种悲观锁，认为一定可能存在线程不安全的情况，所以不管什么情况都加锁。这将会导致用户态到核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要被唤醒等开销。所以我们还有另外一种选择，基于冲突检测的乐观并发策略，通俗地说就是不管风险，先进行操作，如果没有其他线程一起使用共享数据，那么操作成功，如果存在了冲突，那么就放弃上次操作，不断地重试，直到没有其他线程来争用数据，这就是乐观锁，也叫做非阻塞同步。

使用乐观并发策略需要“硬件指令集的发展”，因为我们必须要求操作和冲突检测这两个步骤具备原子性。需要靠硬件来实现这件事情，硬件保证某些从语义上看起来需要多次操作的行为可以只通过一条处理器指令就能完成，这类指令常用的有：

• 测试并设置(Test-and-Set)
• 获取并增加(Fetch-and-Increment)
• 交换(Swap)
• 比较并交换(Compare-and-Swap，也叫CAS)
• 加载链接/条件储存(Load-Linked/Store-Conditional，也叫LL/SC)

CAS

重点说一下常用的CAS。CAS指令需要有三个操作数，分别是内存位置(变量的内存地址，用V表示)、旧的预期值(用A表示)和准备设置的新值(用B表示)。CAS指令执行时，当且仅当V符合A时，处理器才会用B更新V的值，否则它就不执行更新。但是，不管是否更新了V的值，都会返回V的旧值，上述的处理过程是一个原子操作，执行期间不会被其他线程中断。在JDK5之后，Java类库中才开始使用CAS操作，该操作由sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法包装提供。HotSpot虚拟机在内部对这些方法做了特殊处理，即时编译出来的结果就是一条平台相关的处理器CAS指令，没有方法调用的过程，或者可以认为是无条件内联进去了。

ABA问题

尽管CAS看起来很美好，既简单又高效，但显然这种操作无法涵盖互斥同步的所有使用场景，并且CAS从语义上来说并不是真正完美的，它存在一个逻辑漏洞:如果一个变量V初次读取的时候是A值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然为A值，那就能说明它的值没有被其他线程改变过了吗?这是不能的，因为如果在这段期间它的值曾经被改成B，后来又被改回为A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA问题”。J.U.C包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。不过目前来说这个类处于相当鸡肋的位置，大部分情况下ABA问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更为高效。

无同步方案

如果能让一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就不需要任何同步措施去保证其正确性，因此会有一些代码天生就是线程安全的。以下介绍两类

1、可重入代码

又称纯代码。是指可以在代码执行的任何 时刻中断它，转而去执行另外一段代码，而在控制权返回后，原来的程序不 会出现任何错误，也不会对结果有所影响。可重入代码有一些共同的特征，例如，不依赖全局变量、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。我们可以通过一个比较简单的原则来判断代码是否具备可重入性：如果一个方法的返回结果是可以预测的，只要输入了相同的数据，就都能返回相同的结果，那它就满足可重入性的要求，当然也就是线程安全的。

2、线程本地存储

如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。

锁优化

高效并发是从JDK5升级到JDK6后一项重要的改进项，HotSpot虚拟机开发团队在这个版本上花费了大量的资源去实现各种锁优化技术，如适应性自旋(Adaptive Spinning)、锁消除(Lock Elimination)、锁膨胀(Lock Coarsening)、轻量级锁(Lightweight Locking)、偏向锁(Biased Locking)等，这些技术都是为了在线程之间更高效地共享数据及解决竞争问题，从而提高程序的执行效率。

自旋锁和自适应自旋

互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给Java虚拟机的并发性能带来了很大的压力。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或者处理器核心，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“稍等一会”，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，我们只须让线程执行一个忙循环(自旋)，这就是自旋。

锁消除

锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码要求同步，但是对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。如果判断到一段代码中，在堆上的所有数据都不会逃逸出去被其他线程访问到，那就可以把它们当作栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须再进行。

锁粗化

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之中的，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。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，这样只需要加锁一次就可以了。

轻量级锁

轻量级锁是JDK6时加入的新型锁机制，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。不过，需要强调一点，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，它设计的初衷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。

要理解轻量级锁必须要对HotSpot虚拟机对象的内存布局(尤其是对象头部分)有所了解。HotSpot虚拟机的对象头分为两部分，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄等。这部分数据的长度在32位和64位的Java虚拟机中分别会占用32个或64个比特，官方称它为“MarkWord”。这部分是实现轻量级锁和偏向锁的关键。另外一部分用于存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象，还会有一个额外的部分用于存储数组长度。由于对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到Java虚拟机的空间使用效率，MarkWord被设计成一个非固定的动态数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的信息。它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机中，对象未被锁定的状态下，MarkWord的32个比特空间里的25个比特将用于存储对象哈希码，4个比特用于存储对象分代年龄，2个比特用于存储锁标志位，还有1个比特固定为0(这表示未进入偏向模式)。对象除了未被锁定的正常状态外，还有轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向等几种不同状态，这些状态下对象头的存储内容如下图所示。

回顾了对象的内存布局后，接下来就可以介绍轻量级锁的工作过程了:在代码即将进入同步块的时候，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的空间，用于存储锁对象目前的MarkWord的拷贝(官方为这份拷贝加了一个Displaced前缀，即DisplacedMarkWord)，这时候线程堆栈与对象头的状态如下图所示。

然后，虚拟机将使用CAS操作尝试把对象的MarkWord更新为指向LockRecord的指针。如果这个更新动作成功了，即代表该线程拥有了这个对象的锁，并且对象MarkWord的锁标志位(MarkWord的最后两个比特)将转变为“00”，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下图所示。

如果这个更新操作失败了，那就意味着至少存在一条线程与当前线程竞争获取该对象的锁。虚拟机首先会检查对象的MarkWord是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那直接进入同步块继续执行就可以了，否则就说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果出现两条以上的线程争用同一个锁的情况，那轻量级锁就不再有效，必须要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，此时MarkWord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必须进入阻塞状态。

上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也同样是通过CAS操作来进行的，如果对象的MarkWord仍然指向线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的MarkWord和线程中复制的DisplacedMarkWord替换回来。假如能够成功替换，那整个同步过程就顺利完成了;如果替换失败，则说明有其他线程尝试过获取该锁，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”这一经验法则。如果没有竞争，轻量级锁便通过CAS操作成功避免了使用互斥量的开销;但如果确实存在锁竞争，除了互斥量的本身开销外，还额外发生了CAS操作的开销。因此在有竞争的情况下，轻量级锁反而会比传统的重量级锁更慢。

偏向锁

偏向锁也是JDK6中引入的一项锁优化措施，它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步，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操作都不去做了。

偏向锁中的“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，该锁一直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。

假设当前虚拟机启用了偏向锁，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置为“01”、把偏向模式设置为“1”，表示进入偏向模式。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MarkWord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(例如加锁、解锁及对MarkWord的更新操作等)。

一旦出现另外一个线程去尝试获取这个锁的情况，偏向模式就马上宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态决定是否撤销偏向(偏向模式设置为“0”)，撤销后标志位恢复到未锁定(标志位为“01”)或轻量级锁定(标志位为“00”)的状态，后续的同步操作就按照上面介绍的轻量级锁那样去执行。偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象MarkWord的关系如下图所示。

哈希码存储问题

偏向锁有一个问题存在，当对象进入偏向状态的时候，MarkWord大部分的空间都用于存储持有锁的线程ID了，这部分空间占用了原有存储对象哈希码的位置，那原来对象的哈希码怎么办呢?

在Java里面一个对象如果计算过哈希码，就应该一直保持该值不变，否则很多依赖对象哈希码的API都可能存在出错风险。而作为绝大多数对象哈希码来源的Object::hashCode()方法，返回的是对象的一致性哈希码(IdentityHashCode)，这个值是能强制保证不变的，它通过在对象头中存储计算结果来保证第一次计算之后，再次调用该方法取到的哈希码值永远不会再发生改变。因此，当一个对象已经计算过一致性哈希码后，它就再也无法进入偏向锁状态了;而当一个对象当前正处于偏向锁状态，又收到需要计算其一致性哈希码请求时，它的偏向状态会被立即撤销，并且锁会膨胀为重量级锁。在重量级锁的实现中，对象头指向了重量级锁的位置，代表重量级锁的ObjectMonitor类里有字段可以记录非加锁状态(标志位为“01”)下的MarkWord，其中自然可以存储原来的哈希码。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能，但它并非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。