java线程安全和锁优化

什么是java语言中的线程安全

当多个线程访问同一段代码时，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，或者再去调用方法进行任何协调操作，调用这段代码的行为都可以保证获得正确的结果，那这段代码就是线程安全的！
上述安全的描述要求 代码段封装了所有必要的正确性保障手段，使得其不存在多线程访问带来的问题一样。

线程安全是针对多个线程间存在共享变量的情况！没有共享，就不用谈了

java线程的安全级别

1、不可变immutable

不可变的对象，一定是线程安全的，无需安全保障代码：final 修饰的基本数据类型，String类，枚举类型，数值包装器类，BigInteger BigDecimal

2、绝对线程安全

就跟不存在多线程带来的问题一样， 大多数都不是绝对安全的

3、相对线程安全  通常意义上的线程安全

保证对对象的单次操作是线程安全的，而一系列顺序操作还是得加同步代码保障
jdk中标注为线程安全的类型几乎都是，如vector  hashtable等

4、线程兼容

对象或类型的单次操作就不是线程安全的，但是可以通过正确使用同步代码来保障
jdk中绝大部分类、代码块 都是线程兼容式，否则没法搞多线程了

5、线程对立  排斥多线程

不管是否有同步代码的保障，都无法保障正确性

线程安全的实现方法

目的：同步 

1、互斥，阻塞同步

synchronized块，悲观并发策略

• 在同步块前后生成 monitorenter和monitorexit两个字节码指令，锁定特定的对象，或者是方法关联的 实例对象 或  Class 对象（类方法时）。
• 同步块对同一线程是可重入的，不会自己把自己锁死
• 同步块执行时会阻塞其他线程的进入
• java线程是映射到操作系统的轻量级进程的，切换线程意味着切换用户态到内核态，切换过程就很耗处理器时间
• 重量级的同步关键字

重入锁J.U.C的java.util.concurrent.ReentrantLock

• api级别的，可实现高级功能
• 等待线程，超时时可中断：放弃等待或去处理其他任务
• 公平锁：按申请顺序依次获得
• 锁可绑定多个条件：可多次调用newCondtion来添加锁时必须符合的 Condition

优先考虑使用synchronized，性能已经相差无几

2、非阻塞同步

基于冲突检测的乐观并发策略：先进行操作，在进行检测，有冲突时进行补救，否则就成功啦！
非阻塞：上面的步骤无需将线程挂起

上面两步必须是原子的，这个得靠硬件指令集的原生支持：保证从语义上是多次操作的行为只通过一条处理器指令就能完成。
这样的指令现代cpu一般提供为：

• 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，如果符合预期值则更新，否则不更新
• 加载链接、条件存储：Load-Linked/store-condition ， LL/SC

可以通过J.U.C的一些原子类的 compareAndSet   compareAndIncrement来 间接使用 CAS

CAS 有所谓的ABA问题即变量值曾经有其他值，但最后还是恢复原值，解决办法：添加版本信息

3、无同步方案

• 可重入代码，任何时候都可以中断，返回后再处理 结果不会错
  那些根据输入参数，能返回固定结果的 代码

• 线程本地存储ThreadLocal

http://www.iteye.com/topic/103804

http://www.iteye.com/topic/777716

适用前提：对共享变量的操作可以 都归结到 一个线程之内

1.Thread类中有一个成员变量叫做ThreadLocalMap，它是一个Map，他的Key是ThreadLocal类
2.每个线程拥有自己的申明为ThreadLocal类型的变量,所以这个类的名字叫'ThreadLocal'：线程自己的（变量）
3.此变量生命周期是由该线程决定的，开始于第一次初始（get或者set方法）
4.由ThreadLocal的工作原理决定了：每个线程独自拥有一个变量，并非共享或者拷贝
5.ThreadLoacl变量的活动范围为某线程，并且我的理解是该线程“专有的，独自霸占”，对该变量的所有操作均有该线程完成！也就是说，ThreadLocal不是用来解决共享，竞争问题的。

不能太多，因为耗内存

JVM中的锁优化

自旋锁与自适应自旋

• 一个线程请求共享数据的锁时如果已经被其他线程锁住了，则一般会执行挂起，然后恢复。
• 但其实锁定状态持续的时间会很短，所以可以让那个线程稍微等一下，不放弃当前的处理器，不必挂起和恢复
• 执行一个忙循环（自旋）来等待，看看锁是否已经可得，因为这两个动作要os介入，耗时耗资。
• 这个自旋等待时间是有限的，过期了就应该被挂起。
• 根据自旋等待成功的几率，自适应 的修改 自旋等待时间，几率越大，等待时间可越长。

锁消除

jvm即时编译器会将代码中有同步处理，但最后分析却没有共享数据竞争的锁 消除掉。
逃逸分析技术的支持。
jdk中有很多同步的代码

锁粗化

一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁解锁，jvm会将锁放到这些操作序列的外部

对象头的内存字节码MardiWord，与类信息无关的运实时信息 的存储空间

32|64bit的运行时数据信息：

• hashcode：25bit
• gc分代年龄：4bit
• 2bit的锁标识
• 1bit固定为0

轻量级锁

经验假设：对于绝大部分锁，在整个同步期间都是不存在竞争的，则使用 CAS避免互斥开销

偏向锁

太难了 暂时没理解