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关于java:JVM线程安全与锁优化

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线程平安

《Java Concurrency In Practice》的作者 Brian Goetz 对线程平安的定义：当多个线程拜访一个对象时，如果不必老驴这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，也不须要进行额定的同步，或者在调用方进行任何其余的协调操作，调用这个对象的行为都能够取得正确的后果，那这个对象是线程平安的。

Java 语言中的线程平安

依照线程平安的“平安水平”由强至弱排序，能够将 Java 语言中各种操作共享的数据分为 5 类：不可变、相对线程平安、绝对线程平安、线程兼容和线程对抗。

  1. 不可变

    在 Java 语言中，不可变的对象肯定是线程平安的，无论是对象的办法实现还是办法的调用者，都不须要再采取任何的线程平安保障措施。如果共享数据是一个根本数据类型，那么只有在定义时应用 final 关键字润饰就能够保障是不可变的。如果共享的是一个对象，那就须要保障对象的行为不会对其状态产生任何影响才行，例如 java.lang.String 类。

  2. 相对线程平安

    相对的线程平安齐全满足 Brian Goetz 给出的线程平安的定义，一个类要达到“不论运行时环境如何，调用者都不须要任何额定的同步措施”通常须要付出很大的。甚至是不切实际的代价。

  3. 绝对线程平安

    绝对线程平安就是咱们通常意义上所讲的线程平安，它须要保障对这个对象独自的操作时线程平安的，咱们在调用的时候不须要额定的保障措施，然而对于一些特定程序的间断调用，就可能须要咱们调用端应用额定的同步伎俩来保障调用的正确性。

  4. 线程兼容

    线程兼容是指对象自身并不是线程平安的，然而能够通过在调用端正确地应用同步伎俩来保障对象在并发环境中能够平安地应用。例如：ArrayList 类和 HashMap 类。

  5. 线程对抗

    线程对抗是指无论调用端是否采取了同步措施，都无奈在多线程环境中并发应用的代码。例如：Thread 类的 suspend()办法和 resume()办法，如果有两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试中断线程，另一个尝试复原线程，如果并发执行的话，无论调用时是否进行了同步，指标线程都存在死锁的危险。

线程平安的实现办法

  • 互斥同步

    互斥同步是常见的一种并发正确保障伎俩。同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保障共享数据在同一个时刻只被一个（或者是一些，应用信号量的时候）线程应用。而互斥是实现同步的一种伎俩，临界区、互斥量和信号量都是次要的互斥实现形式。

    在 Java 中，最根本的互斥同步伎俩就是 synchronized 关键字，synchronized 关键字通过编译之后，会在同步块的前后别离造成 monitorenter 和 monitorexit 这两个字节码指令，这两个字节码都须要一个 reference 类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。在虚拟机标准对 monitorenter 和 monitorexit 的行为形容中，synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会呈现本人把本人锁死的问题。同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞前面其余线程的进入。

    除了 synchronized 之外，还能够应用 java.util.concurrent 包中的重入锁（ReentrantLock）来实现同步。相比 synchronized 相比，ReentrantLock 减少了一些高级性能，次要有 3 项：期待可中断、可实现偏心锁、以及锁能够绑定多个条件。

    • 期待可中断是指当持有锁的线程长期不开释锁的时候，正在期待的线程能够抉择放弃期待，改为解决其余事件，可中断个性对解决执行工夫十分长的同步块有帮忙。
    • 偏心锁是指多个线程在期待同一个锁时，必须依照申请锁的工夫程序来顺次取得锁；而非偏心锁则不保障这一点，在锁被开释时，任何一个期待锁的线程都有机会取得锁。synchronized 中的锁是非偏心的，ReentrantLock 默认状况下也是非偏心的，但能够通过带有布尔值的构造函数要求应用偏心锁。
    • 锁绑定多个条件是指一个 ReentrantLock 对象能够同时绑定多个 Condition 对象，而在 synchronized 中，锁对象的 wait()和 notify()或 notifyAll()办法能够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，就不得不额定地增加一个锁，而 ReentrantLock 则无需这样做，只须要屡次调用 newCondition()办法即可。

  • 非阻塞同步

    互斥同步最次要地问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来地性能问题，因而这种同步也成为阻塞同步。随着硬件指令集地倒退，咱们有了另外一种抉择，基于冲突检测的乐观并发策略，艰深的说，就是先进行操作，如果没有其余线程争用共享数据，那操作就胜利了；如果共享数据有争用，产生了抵触，那就再采取其余的弥补措施，这种乐观的并发策略的许多实现都不须要把线程挂起，因而这种同步操作称为非阻塞同步。

    CAS 指令：
    CAS 指令须要有 3 个操作数，别离是内存地位（在 Java 中能够简略了解为变量的内存地址、用 V 示意）、旧的预期值（用 A 示意）和新值（用 B 示意）。CAS 指令执行时，当且仅当 V 合乎旧预期值 A 时，处理器用新值 B 更新 V 的值，否则它就不执行更新，然而无论是否更新了 V 的值，都会返回 V 的旧值，这个处理过程是一个原子操作。

    CAS 存在的逻辑破绽：如果一个变量 V 首次读取的时候是 A 值，并且在筹备赋值的时候查看到它依然为 A 值，那咱们就能说它的值没有被其余线程扭转过了吗？如果在这段期间它的值已经被改成了 B，起初又被改回了 A，那 CAS 操作就会误认为它素来没有扭转过。这个破绽被称为 CAS 操作的“ABA”问题。

  • 无同步计划

    如果一个办法原本就不波及共享数据，那它天然就毋庸任何同步措施去保障正确性，因而会有一些代码天生就是线程平安的。

    • 可重入代码

      如果一个办法，它的返回后果是可预测的，只有输出了雷同的数据，就都能返回雷同的后果，那它就满足可重入的要求，就是线程平安的。

    • 线程本地存储

      如果一段代码中所须要的数据必须与其余代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保障在同一个线程中执行？如果能保障，就能够把共享数据的可见范畴限度在同一个线程之内，这样，毋庸同步也能保障线程之间不呈现数据争用的问题。

锁优化

自旋锁与自适应锁

互斥同步对性能影响最大的是阻塞的实现，挂起线程和复原线程的操作都须要转入内核态中实现，这些操作给零碎的并发性能带来了很大的压力。同时，虚拟机的开发团队也留神到在许多利用上，共享数据的锁定状态只会继续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和复原线程并不值得。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，咱们就能够让前面的申请锁的那个线程“稍等一下”，但不放弃处理器的执行工夫，看看持有锁的线程是否很快就会开释锁。为了让线程期待，咱们只须要让线程执行一个忙循环，这项技术就是所谓的自旋锁。

自适应自旋就是自旋的工夫不再固定，而是由前一次在同一个锁上自旋的工夫及拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋期待刚刚胜利取得过锁，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胜利，进而将它容许自旋期待继续绝对更长的工夫。另外，如果对于某个锁，自旋很少胜利取得过，那在当前要取得这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

锁打消

锁打消是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，然而被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行打消。

锁粗化

原则上，在编写代码的时候，总是举荐将同步块的作用范畴限度得尽量小——只在共享数据的理论作用域中才进行同步，这样是为了使得须要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那期待的线程也能尽快拿到锁。大部分状况下，这个准则是正确的，然而如果一系列的间断操作都对同一个对象重复加锁和解锁，甚至加锁操作是呈现在循环体中，那即便没有线程竞争，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系统的操作都对同一个对象加锁，将会把锁同步范畴扩大（粗化）到整个操作序列的内部。

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