[Java知识库]深入理解Java虚拟机（周志明第三版）- 第十三章：线程安全与锁优化

系列文章目录

第一章： 走近Java
第二章： Java内存区域与内存溢出异常
第三章： Java垃圾收集器与内存分配策略

一、概述

????????面向对象的编程思想极大地提升了现代软件开发的效率和软件可以达到的规模，但是现实世界与计算机世界之间不可避免地存在一些差异。例如，人们很难想象现实中的对象在一项工作进行期间， 会被不停地中断和切换，对象的属性（数据）可能会在中断期间被修改和变脏，而这些事件在计算机世界中是再普通不过的事情。有时候，良好的设计原则不得不向现实做出一些妥协，我们必须保证程序在计算机中正确无误地运行，然后再考虑如何将代码组织得更好，让程序运行得更快。

二、线程安全

????????线程安全的定义：当多个线程访问同一个对象时，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，那就称为这个对象是线程安全的。
????????线程安全的代码都必须具备一个共同特征：代码本身封装了所有必要的正确性保障手段，令调用者无需关心多线程下的调用问题，更无需自己实现任何措施来保证多线程环境下的正确调用。

1、Java语言中的线程安全

如果按照线程安全的"安全强度"由强至弱排序，可以将Java语言中各种操作共享的数据分为一下五类：

1. 不可变：final修饰的基本数据类型、String对象、枚举类型、Number的部分子类（Long、Double等包装类型）
2. 绝对线程安全：完全满足线程安全的定义
3. 相对线程安全：需要保证对这个对象单次操作是线程安全的，在调用时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保证调用的正确性。Java语言中Vector、HashTable、Collections的synchronizedCollection()方法包装的集合都属于。
4. 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使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全地使用。Java类库中API大多数都是线程兼容的，例如ArrayList和HashMap等
5. 线程对立：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。例如Thread类的suspend()和resume()方法，如果两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试去中断线程，一个尝试恢复线程，在并发调用情况下，无论是否进行同步操作，目标线程都存在死锁风险

2、线程安全的实现方法

如何实现线程安全与代码编写有很大关系，但虚拟机提供的同步和锁机制也起到了至关重要的作用

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。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能被一条线程使用。而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。

????????最基本的互斥手段是synchronized关键字。synchronized经过javac编译后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit两个字节码指令。这两个字节码指令都需要一个reference类型的参数指明要加锁和解锁的对象。如果明确指定了锁对象参数，那就以这个对象的引用为reference；如果没有明确指定，那将根据synchronized修饰的方法类型（实例方法或类方法），来决定线程持有的锁是对象实例还是对应的Class类对象。在执行monitorenter指令时，首先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那个对象的锁，就把锁的计数器的值加1，而在执行monitorexit指令时会将锁计数的值减1。一旦计数器的值为0，锁随即就被释放了，如果获取锁对象失败，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。

????????还有一种是JDK5后，JavaAPI库提供的concurrent包中的Lock互斥同步手段。基于Lock接口，用户能够以非块结构实现互斥同步，从而摆脱语言特性的束缚，改为在类库层面去实现同步。
ReetrantLock是Lock接口最常见的一种实现，与synchronized类似，相比增加了一些高级功能，主要有三项：

• 等待可中断：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
• 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；而非公平锁在锁释放时，任何一个等待锁的线程都有机会获得锁
• 锁绑定多个条件：指一个ReetrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象

非阻塞同步

????????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，如果没有其他线程争用共享数据，那操作就直接成功了；如果共享的数据的确被争用，产生了冲突，那再进行其他的补偿措施，最常用的补偿措施是不断地重试，直到出现没有竞争的共享数据为止。这种乐观并发策略的实现不再需要把线程阻塞挂起，因此这种同步操作被称为非阻塞同步。

什么是CAS?
CAS指令由硬件层面支持。CAS指令需要有三个操作数，分别是内存位置（在Java中可以简单地理解为变量的内存地址，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。

什么是ABA问题？
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

天生线程安全的代码：

• 可重入代码：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。
• 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。可以通过ThreadLocal类实现线程本地存储的功能。

三、锁优化

1、自旋锁与自适应自旋

自旋锁：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），这项技术就是所谓的自旋锁。

自适应自旋：在JDK 6中对自旋锁的优化，引入了自适应的自旋。自适应意味着自旋的时间不再是固定的了，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的。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，进而允许自旋等待持续相对更长的时间，比如持续100次忙循环。另一方面，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过锁，那在以后要获取这个锁时将有可能直接省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。有了自适应自旋，随着程序运行时间的增长及性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况预测就会越来越精准，虚拟机就会变得越来越“聪明”了

2、锁消除

锁消除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，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为是线程私有的，也就无须同步加锁。

3、锁粗化

锁粗化指如果虚拟机探测到一串零碎的操作对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围粗化到整个操作序列的外部，这样就只需要加锁一次就行，避免频繁地对同一个对象反复加锁解锁，导致不必要的性能损耗。

4、轻量级锁

????????轻量级锁是JDK 6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

????????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，Mark Word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， Mark Word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图所示：

轻量级锁的加锁工作过程：

1、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（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方为这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word）

2、然后，虚拟机将使用CAS操作尝试把对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了，即代表该线程拥有了这个对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位（Mark Word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

3、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必须进入阻塞状态

轻量级锁的解锁过程同样是通过CAS操作来进行的，如果对象的Mark Word仍然指向线程的锁记录，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。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。

5、偏向锁

偏向锁也是JDK 6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。

偏向锁的工作过程：

1、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（例如加锁、解锁及对Mark Word的更新操作等）

2、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。

六、附录