11.线程安全与锁优化

线程安全与锁优化

1. 线程安全

按照线程安全的安全程度由强到弱排序，Java中各种操作共享数据分为以下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。

1. 不可变
   Java API中的不可变类有：String、枚举类、java.lang.Number的部分子类（Long、Double等数值包装类型，BigInteger、BigDecimal等大数据类型）。

   java.lang.Number的子类中的原子类（AutomicInteger、AtomicLong）是可变类。

2. 绝对线程安全

   绝对线程安全完全满足Brian Goetz给出的线程安全的定义：不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步措施。这个定义是很严格的，Java API中标注是线程安全的类，大多数都不是绝对的线程安全。

3. 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独的操作是线程安全的，我们在调用的时候不需要做额外的保障措施，但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。

4. 线程兼容

   线程兼容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，我们平时说一个类不是线程安全的，绝大多数指的是这种情况。

5. 线程对立

   线程对立是指无论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的代码。如Thread中被@Deprecated的suspend()、resume()，还有System.setIn()、System.setOut()、System.runFinalizersOnExit()等。

2. 线程安全的实现方法

2.1 互斥同步

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，使用信号量时）线程使用。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。

互斥同步时，如果获取对象的锁失败，那么线程就要阻塞等待，因此这种同步又叫做阻塞同步。

使用synchronized与java.util.concurrent.ReentrantLock来实现同步。

ReentrantLock还有一些高级功能：

1. 等待可中断

   等待可中断指当持有锁的线程长时间不释放锁时，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

   实现公平锁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，而非公平锁则不能保证这一点，非公平锁在锁被释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized锁是非公平的。

3. 锁可以绑定多个条件

   一个ReentrantLock可以同时绑定多个Condition对象。

2.2 非阻塞同步

互斥同步（阻塞同步）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。

基于冲突检测的乐观并发策略，通俗讲就是先进行操作，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，就在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。

使用这种乐观并发策略需要硬件的支持，需要将操作和冲突检测这两个步骤实现成原子性操作（硬件保证一个语义上看起来需要多次操作的行为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，CAS）
• 加载链接/条件存储（Load-Linked/Store-Conditional，LL/SC）

CAS指令需要3个操作数：内存位置V、旧的预期值A、新值B。CAS指令执行时，当且仅当V符合旧预期值A时，处理器用新值B更新V的值，否则不执行更新，无论是否更新了V的值，都会返回V的旧值。

Java程序中的CAS操作由sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapInt()、compareAndSwapLong()等方法提供。但是这个Unsafe类不是提供给用户程序调用的类，在J.U.C包里面的整数原子类，其中的compareAndSet()、getAndIncrement()等方法使用了Unsafe类的CAS操作。

CAS在语义上存在一个逻辑漏洞：如果一个变量V初次读取时是A值，并且在准备赋值时检查到它仍然是A值，并不能说明它的值没有被其他线程改变过。如果在这段期间，它的值曾经被改成了B，后来又改回为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，可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

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高效。

2.3 无同步方案

要保证线程安全，并不是一定就要进行同步，两者没有因果关系。同步只是保证共享数据争用时的正确手段，如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性，因此会有一些代码天生就是线程安全的，如下面介绍的。

1. 可重入代码

   也叫做纯代码，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，在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。

   可重入代码有共同特征：如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。

2. 线程本地存储

3. 锁优化

3.1 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。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。

有许多同步措施不是程序员自己加入的，而是由编译器加入的。在即时编译阶段会将编译器加入的确实无用的锁消除。

3.2 锁粗化

原则上，我们在编写代码时，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

大部分情况下，上述原则是正确的，但如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁、解锁，甚至加锁操作出现在循环体中，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，将会把加锁同步范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。

3.3 偏向锁

偏向锁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。

偏向锁是锁会偏向于第一个获得它的线程，在接下来的执行过程中，如果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时，虚拟机将会把对象头中的标志位设为01。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程ID记录在对象的Mark Word中，如果CAS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。

当有另外一个线程尝试获得这个锁时，偏向模式宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向后恢复到未锁定（01）或轻量级锁定（00）的状态，后续的同步操作就如下面介绍的轻量级锁那样执行。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。

如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。

3.4 轻量级锁

轻量级锁在无竞争的情况下使用CAS操作消除同步使用的互斥量，偏向锁是在无竞争情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不做了。

轻量级锁是相对于使用操作系统的互斥量来实现的传统锁而言的。

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损耗。

HotSpot虚拟机的对象头（Object Header）分为两部分信息：

1. 一部分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位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称之为Mark Word。这是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
2. 另一部分存储指向方法区对象类型数据的指针，如果是数组对象的话，还会有一个额外的部分用于存储数组长度。

HotSpot虚拟机对象头Mark Word见下表：

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（重量级锁定）
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

轻量级锁的执行过程：

在代码进入同步块时，如果此同步对象没有被锁定（01，锁标志位的状态），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拷贝，官方称为Displaced Mark Word。此时线程堆栈与对象头转态如下图：

轻量级锁的执行过程1

然后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个动作更新成功了，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：

轻量级锁的执行过程2

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进行，否则说明这个锁对象被其他线程抢占了。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。

轻量级锁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Dislaced 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，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。

3.5 自旋锁与自适应自旋

在许多应用上，共享数据的锁定状态只会持续很短的一端时间。可以让后面请求锁的线程“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，只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是自旋锁。

如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好。反之，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，而不会做任何有用的工作，反而带来性能上的浪费。

自适应自旋意味着自旋的时间不固定，由虚拟机自己根据监控信息调整。

4. 附件

轻量级锁.vsdx