深入理解Java虚拟机读书笔记9----线程完全与锁优化

九 线程完全与锁优化

 

1 Java语言中的线程完全

        ---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。

        ---按照线程安全的“安全程度”，可以将Java语言中的共享数据分为以下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

            ---不可变的对象一定是线程安全的。

            ---Java语言中，如果共享数据是基本数据类型，那么只要在定义时使用final关键字修饰它就可以保证它是不可变的；如果共享数据是一个对象，则需要保证对象的行为不会对其状态产生任何影响才行。

            ---保证对象行为不会影响自己状态的途径有很多，如把对象中带有状态的变量都声明为final，例如java.lang.Integer。

            ---Java API中符合不可变要求的类型常用的有：java.lang.String、枚举类、java.lang.Number的部分子类（如Long、Double、BigInteger、BigDecimal等）。

    （2）绝对线程安全

            ---需要达到“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。

            ---在Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对线程安全的，如java.util.Vector。

    （3）相对线程安全

            ---对这个对象单独的操作是线程安全的，在调用的时候不需要做额外的同步措施；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。

            ---Java语言中，大部分的线程安全类都属于这种类型，如Vector、HashTable等。

    （4）线程兼容

            ---线程兼容是指对象本身不是线程安全的，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。

            ---Java API中大部分的类都是属于线程兼容的。

    （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。

            ---例子：Thread类的suspend()和resume()方法。

 

2 线程安全的实现方法

    （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线程使用。

            ---互斥是实现同步的一种手段。

            ---互斥的实现方式：临界区、互斥量、信号量。

            ---在Java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译后，会在同步块前后分别形成monitorenter和monitorexit字节码指令。

            ---monitorenter和monitorexit都需要一个reference类型的参数来明确指定锁定和解锁的对象。如果Java程序中synchronized明确指定了对象参数，那就是这个·对象的reference；如果没有明确指定，那就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法，去取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。

            ---两点需要注意：

                · 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。

            ---还可以使用j'ava.util.concurrent包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步，相比synchronized，ReentrantLock增加了一些高级功能，主要有：

                · 等待可中断：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。synchronized中的锁是非公平的，ReentrantLock中的锁默认情况下也是非公平的。

                · 锁可以绑定多个条件：一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象。

            ---互斥同步主要问题：进行线程阻塞和唤醒都需要操作系统来帮忙完成，需要在用户态和内核态之间进行切换，耗时较长。

            ---互斥同步属于一种悲观的并发策略。无论共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。

    （2）非阻塞同步

            ---非阻塞同步是一种基于冲突的乐观并发策略。采取先进行操作，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，那就再采取其他的补偿措施。

            ---为了保证操作和冲突检测两个步骤具备原子性。常用的处理器指令有：

                · 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）

 

3 锁优化

    （1）自旋锁和自适应自旋

            ---自旋锁：如果物理机器有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，可以让后面请求锁的那个线程”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）。

            ---适用场景：共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间。

            ---自适应自旋锁：自旋的时间不再固定，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。

    （2）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，那就可以把它们当作栈上数据对待，认为它们是私有的，从而无需同步加锁。

    （3）锁粗化

            ---如果虚拟机探测到有一串零碎的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。

    （4）轻量级锁

            ---”重量级“锁：使用操作系统互斥量来实现的传统锁。

            ---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，比传统的重量级锁更慢。

            ---原理：

                · 加锁过程：在代码进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定，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。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的锁标志位将转变为”00“，即表示此对象处于轻量级锁定状态。如果更新失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是则说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，可以直接进入同步块继续执行；否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两个以上的线程争用同一个锁，那么轻量级锁将膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为”10“。

                · 解锁过程：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和线程中复制的拷贝替换回来。如果替换成功，则解锁成功；如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

    （5）偏向锁

            ---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。

            ---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。

            ---原理：

                · 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为”01“，即偏向模式。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。

                · 当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，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，撤销偏向恢复到未锁定或轻量级锁定的状态。

            ---偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系如下图所示：