探索深入理解java虚拟机之线程安全与锁优化（8）

线程安全与锁优化

1、线程安全
Brian Goetz对线程安全比较恰当的定义：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，或者在调度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。

2、线程安全（Java语言中的线程安全）
按照线程安全的“安全程度”由强至弱来排序，java里面各种操作共享的数据分为以下5类：不可变，绝对线程安全，相对线程安全，线程兼容，线程对立 。
不可变：可以是基本类型的final；可以是final对象，但对象的行为不会对其状态产生任何影响，比如String的subString就是new一个String对象各种Number类型如BigInteger和BigDecimal等大数据类型都是不可变的，但是同为Number子类型的AtomicInteger和AtomicLong则并非不可变我觉得原因是它里面状态对象时unsafe对象，所做的操作都是CAS操作，可以保证原子性。
绝对线程安全：他是完全满足Brian Goetz给出的线程安全的定义，一个类要达到这种程度，需要付出很大的，甚至不切实际的代价。
相对线程安全：这就是我们通常意义上的线程安全。需要保证对象单独的操作时线程安全的。比如Vector，HashTable，synchronizedCollection包装集合等。
线程兼容：对象本身不是线程安全的，但可以通过同步手段实现。一般我们说的不是线程安全的，绝大多数是指这个。比如ArrayList，HashMap等。
线程对立：不管调用端是否采用了同步的措施，都无法在并发中使用的代码。调用suspend()的时候，目标线程会停下来，但却仍然持有在这之前获得的锁定。此时，其他任何线程都不能访问锁定的资源，除非被"挂起"的线程恢复运行。对任何线程来说，如果它们想恢复目标线程，同时又试图使用任何一个锁定的资源，就会造成死锁。
//绝对线程安全

public class TestDemo4 {
private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();

public static void main(String[] args) {
while (true) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
vector.add(i);
}

Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
vector.remove(i);
}
}
});

Thread printThread = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < vector.size(); j++) {
System.out.println(vector.get(j));
}
}
});
removeThread.start();
printThread.start();

// 不要同时产生过多进程
while (Thread.activeCount() > 20);
}
}
}

抛出数组越界的异常。
必须加入同步保证Vector访问的线程安全性

public class TestDemo4 {
private static Vector<Integer> vector = new Vector<Integer>();

public static void main(String[] args) {
while (true) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
vector.add(i);
}

Thread removeThread = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
synchronized (vector) {
for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
vector.remove(i);
}
}
}
});
Thread printThread = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
synchronized (vector) {
for (int j = 0; j < vector.size(); j++) {
System.out.println(vector.get(j));
}
}
}
});
removeThread.start();
printThread.start();

// 不要同时产生过多进程
while (Thread.activeCount() > 20);
}
}
}

3、线程安全（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（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、互斥量和信号量都是主要的互斥实现方式。互斥是因，同步是果：互斥是方法，同步是目的。
在Java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，它经过编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。
如果Java程序中的synchronized明确指定了对象参数，那就是这个对象的reference；如果没有指明，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。
在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁。如果这个对象没有被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1，对应的在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁就被释放。如果获取对象锁失败，哪当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。

Synchronized，ReentrantLock增加了一些高级功能，主要有3项：
1.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。
2.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；非公平锁则不能保证这一点，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。
3.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，如果要和多余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。
2.非阻塞同步（Non-Blocking Synchronization）:
互斥和同步最主要的问题就是阻塞和唤醒所带来的性能问题，所以这通常叫阻塞同步(悲观的并发策略)。随着硬件指令集的发展，我们有另外的选择：基于冲突检测的乐观并发策略，通俗讲就是先操作，如果没有其他线程争用共享的数据，操作就成功，如果有，则进行其他的补偿(最常见就是不断的重试)，这种乐观的并发策略许多实现都不需要把线程挂起，这种同步操作被称为非阻塞同步。

public class VolatileTest {
public static AtomicInteger race = new AtomicInteger(0);

private static final int THREADS_COUNT = 20;

public static void increase() {
race.incrementAndGet();
}

public static void main(String[] args) {
Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
threads[i] = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
increase();
}

}
});
threads[i].start();
}
while (Thread.activeCount() > 1)
Thread.yield();
System.out.println(race);
}
}

对Java内存模型（对于volatile型变量的特殊规则）这一节的优化处理，能输出正确的结果。

3.无同步方案:
有一些代码天生就是线程安全的，不需要同步。其中有如下两类：
1.可重入代码：
也叫纯代码，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（包括递归调用它本身）而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。所有的可重入代码都是线程安全的，但是并非所有的线程安全的代码都是可重入的。
判断一个代码是否具备可重入性：如果一个方法，它的返回结果是可预测的，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。

2.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？如果能保障，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。

4、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：如果物理机器上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，我们就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，我们只需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。

每天努力一点，每天都在进步。