《深入理解Java虚拟机》笔记--第十三章、线程安全与锁优化

先保证并发的正确性，然后在此基础上来实现高效。

线程安全：

    当多个线程访问一个对象时，如果不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，那这个对象就是线程安全的。——Brian Goetz

    线程安全是限定于多个线程之间存在共享数据访问这个前提下的。

    线程安全由强至弱的“安全程度”：不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程兼容和线程对立。

        不可变：

            不可变的对象一定是线程安全的，只要一个不可变的对象被正确的构建出来，那其外部的可见状态永远也不会改变，永远也不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。

            如果一个共享数据是基本数据类型，那么只要在定义的时候使用final关键字修饰它就可以保证不可变；如果是一个对象，那就需要保证对象的行为不会对其状态产生任何影响。

        绝对线程安全：

            完全满足Brian Goetz给出的线程安全定义，在Java API中标注自己是线程安全的类，大多数都不是绝对的线程安全。

        相对线程安全：

            通常意义上的线程安全，保证对这个对象单独的操作是线程安全的。

        线程兼容：

            对象本身并不是线程安全的，但是可以通过在调用端正确的使用同步手段来保证对象在并发环境中安全的使用，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数指的都是这种情况。

        线程对立：

            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的代码。

线程安全的实现方式：

    主要介绍虚拟机如何实现同步与锁。

    互斥同步（Mutual Exclusion & Synchronization）：

        也被称为阻塞同步（Blocking Synchronization），属于悲观的并发策略，总认为只要不去做正确的同步措施，那就肯定会出现问题，无论共享数据是否真的会出现竞争，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被唤醒等操作。

        同步是指多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一时刻只被一条线程使用。互斥是实现同步的一种手段，临界区、互斥量和信号量都是主要的互斥实现方式。互斥是方法，同步是目的。

        在Java里最基本的互斥手段就是synchronized关键字，synchronized关键字在编译后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。

        还可以使用java.util.concurrent包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步，ReentrantLock比synchronized增加了一些高级功能：等待可中断、可实现公平锁以及锁可以绑定多个条件。

    非阻塞同步（Non-Blocking Synchronization）：

         基于冲突检测的乐观并发策略。通俗的讲就是先进行操作，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，那就再进行其他的补偿措施（如重试），这些补偿操作的实现通常不需要将线程挂起，故称非阻塞同步。

        非阻塞同步需要硬件指令集的发展才能实现，从硬件上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：测试并设置、获取并增加、交换、比较并交换、加载链接/条件存储。

    无同步方案：

        有一些代码天生就是线程安全的，不需要同步。

        可重入代码（Reentrant Code）：纯代码，具有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特征，它的返回结果是可以预测的。

        线程本地存储（Thread Local Storage）：把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样就无须同步也能保证线程之间不出现数据争用问题。可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。

锁优化：

    为了在线程之间更高效的共享数据，以及解决竞争问题，从而提高程序的执行效率，创建了各种锁优化技术：适应性自旋（Adaptive Spinning）、锁消除（Lock Elimination）、锁粗化（Lock Coarsening）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）等。

    自旋锁与自适应自旋：

        线程挂起和恢复的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力，在许多应用中，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得，可以让后请求锁的线程等待一会儿，但不放弃处理器的执行时间，让线程执行一个忙循环（自旋）。

        自旋锁默认的自旋次数值是10次，可以使用参数-XX:PreBlockSpin更改。

        自适应自旋意味着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。

    锁消除：

        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。

    锁粗化：

        如果虚拟机探测到有一系列连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，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：

        使用对象头的Mark Word中锁标志位代替操作系统互斥量实现的锁。

        轻量级锁并不是用来代替重量级锁，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。

        轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS（Compare-and-Swap）操作去消除同步使用的互斥量。

    偏向锁：

        和轻量级锁原理基本一致，但偏向锁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。