线程安全与锁优化

线程安全

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。

弱化 如果把“调用这个对象的行为”限定为“单次调用”，这个定义的其他描述也能够成立的话，我们就可以称它是线程安全了。

Java语言中的线程安全

不可变

不可变(Immutable)的对象一定是线程安全的。

绝对线程安全

Vector的get()、remove()和size()，如果另一个线程恰好在错误的时间里删除了一个元素,导致序号i已经不再可用的话,再用i访问数组就会抛出一个ArraylndexOutOfBoundsException

相对线程安全

相对的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

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來保证对象在并发环境中可以安全地使用。

线程安全的实现方法

互斥同步(Mutual Exclusion & Synchronization)

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(Critical Section)、互斥量(Mutex)和信号量(Semaphore)都是主要的互斥实现方式。

在Java中,最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字。

synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题。

同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。

对于synchronized，虚拟机本身也会进行一些优化，譬如在通知操作系统阻塞线程之前加入一段自旋等待过程，避免频繁地切人到核心态之中。

相比synchronized,ReentrantLock增加了一些高级功能,主要有以下3项:

• 等待可中断

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。

• 可实现公平锁

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。

• 锁可以绑定多个条件

锁绑定多个条件是指一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象，而在synchronized中，锁对象的wait()和notify()或notifyAll()方法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，就不得不额外地添加一个锁，而ReentrantLock则无须这样做，只需要多次调用newCondition()方法即可。

虚拟机在未来的性能改进中肯定也会更加偏向于原生的synchronized,所以还是提倡在synchronized能实现需求的情况下,优先考虑使用synchronized来进行同步。

非阻塞同步(Non-Blocking Synchronization)

乐观并发策略需要“硬件指令集的发展”才能进行，主要原因在于我们需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性。这里再使用互斥同步来保证就失去意义了，所以我们只能靠硬件来完成这件事情，硬件保证一个从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)

前面的3条是20世纪就已经存在于大多数指令集之中的处理器指令,后面的两条是现代处理器新增的,而且这两条指令的目的和功能是类似的。

尽管CAS看起来很美,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完美的，存在ABA问题。

无同步方案

同步只是保证共享数据争用时的正确性的手段,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。

• 可重入代码(Reentrant Code)

我们可以通过一个简单的原则来判断代码是否具备可重入性：如果一个方法，它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。

• 线程本地存储(Thread Local Storage)

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

自旋锁与自适应自旋锁

自旋等待不能代替阻塞，自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销，但它是要占用处理器时间的，因此，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，反而会带来性能上的浪费。

• 自适应的自旋锁

自适应意味着自旋的时间不再固定了,而是由前一次在同一个锁上的自旋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旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如100个循环。另外，如果对于某个锁，自旋很少获得成功，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

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。

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，同步加锁就无须进行。

比如：StringBuffer的字符串相加

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。

轻量级锁

“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，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。

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。

偏向锁

偏向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。

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。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。

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