线程安全的实现方法
互斥同步
互斥是因, 同步是果; 互斥是方法, 同步是目的.
synchronized 关键字
synchronized 关键字是基本的互斥同步手段. 它在编译后会在同步代码块前后加入 2 条字节码指令: monitorenter 和 monitorexit
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 指定了对象参数, 那就是这个对象的 reference; 如果没有指定, 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.
执行 monitorenter 指令时, 首先要尝试获取对象的锁. 如果这个对象没被锁定, 或当前线程已经拥有了那个对象的锁, 把锁的计数器加 1; 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, 那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 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.
Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的, 如果要阻塞或唤醒一个线程, 都需要操作系统来完成, 这就需要从用户态转换到核心态中, 因此状态转换需要耗费很多的处理器时间, 所以 synchronized 是 Java 语言中一个重量级的操作. 不过虚拟机会有一些优化措施, 比如自旋等待.
ReentrantLock 重入锁
重入锁位于
java.util.concurrent
包. 基本用法和 synchronized 相似, 只是代码写法有区别: synchronized 是原生语法层面的实现. ReentrantLock 是 API 层面, 使用 lock()和 unlock()方法配合 try/finally 语句块来实现.
重入锁有 3 个高级特性:
等待可中断: 当持有锁的线程长期不释放锁时, 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.
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; 而非公平锁则不保证这一点, 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.
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, 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, 如果要和多于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.
性能比较
JDK1.6 之前, 在多线程环境下, synchronized 的吞吐量随着处理器数量增加而下降得非常严重.
JDK1.6 之后, 虚拟机做了优化, 2 种方式性能差不多. 推荐优先使用 synchronized 方式.
非阻塞同步
互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题, 因此这种同步也称为阻塞同步(Blocking Synchronization).
按处理问题的方式来说:
互斥同步是悲观并发策略: 无论是否产生共享数据争用, 都会做同步措施(加锁, 用户态内核态转换等).
非阻塞同步是一种乐观并发策略: 它基于冲突检测. 通俗的说, 就是先执行代码, 若没有发生共享数据争用, 就成功执行; 若发生共享数据争用, 就采取补偿措施(比如不断重试, 直到成功), 这种策略不会导致线程阻塞.
CAS 操作: CAS 指令需要有 3 个操作数, 分别是内存位置 (在 Java 中可以简单理解为变量的内存地址, 用 V 表示), 旧的预期值(用 A 表示) 和新值(用 B 表示).CAS 指令执行时, 当且仅当 V 符合旧预期值 A 时, 处理器用新值 B 更新 V 的值, 否则它就不执行更新, 但是无论是否更新了 V 的值, 都会返回 V 的旧值, 这个处理过程是个原子操作.
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, 那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗? 如果在这段期间它的值曾经被改成了 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.
无同步方案
如果一个方法本来就不涉及共享数据, 那它就无须任何同步措施去保证正确性.
可重入代码: 这种代码也叫做纯代码(Pure Code), 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.
线程本地存储: 一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享, 并且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.
Java 语言中, 如果一个变量要被多线程访问, 可以使用 volatile 关键字声明它为 "易变的"; 如果一个变量要被某个线程独享, Java 中就没有类似 C++ 中__declspec(thread) 这样的关键字, 不过还是可以通过 java.lang.ThreadLocal 类来实现线程本地存储的功能. 每一个线程的 Thread 对象中都有一个 ThreadLocalMap 对象, 这个对象存储了一组以 ThreadLocal.threadLocalHashCode 为键, 以本地线程变量为值的 K-V 值对, ThreadLocal 对象就是当前线程的 ThreadLocalMap 的访问入口, 每一个 ThreadLocal 对象都包含了一个独一无二的 threadLocalHashCode 值, 使用这个值就可以在线程 K-V 值对中找回对应的本地线程变量.
锁优化
适应性自旋(Adaptive Spinning)
线程阻塞的时候, 让等待的线程不放弃 cpu 执行时间, 而是执行一个自旋(一般是空循环), 这叫做自旋锁.
自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销, 但它是要占用处理器时间的, 因此, 如果锁被占用的时间很短, 自旋等待的效果就非常好, 反之, 如果锁被占用的时间很长, 那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源, 带来性能上的浪费.
因此, 自旋等待的时间必须要有一定的限度. 如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁, 就应当使用传统的方式去挂起线程了. 自旋次数的默认值是 10 次, 用户可以使用参数 - XX:PreBlockSpin 来更改.
JDK1.6 引入了自适应的自旋锁. 自适应意味着自旋的时间不再固定了, 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. 比如前一次自旋了 3 次就获得了一个锁, 那么下一次虚拟机会允许他自旋更多次来获得这个锁. 如果一个锁很少能通过自旋成功获得, 那么之后再遇到这个情况就会省略自旋过程了.
锁消除(Lock Elimination)
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. 一般根据逃逸分析的数据支持来作为判定依据.
锁粗化(Lock Coarsening)
原则上, 我们在编写代码的时候, 总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小 -- 只在共享数据的实际作用域中才进行同步, 这样是为了使需要同步的操作数量尽可能变小, 如果存在锁竞争, 那等待锁的线程也能尽快拿到锁.
但如果一系列操作频繁对同一个对象加锁解锁, 或者加锁操作再循环体内, 会耗费性能, 这时虚拟机会扩大加锁范围.
轻量级锁(Lightweight Locking)
轻量级锁是 JDK 1.6 之中加入的新型锁机制. 它的作用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.
HotSpot 虚拟机的对象头 (Object Header) 分为两部分信息, 第一部分用于存储对象自身的运行时数据, 这部分称为 Mark Word. 还有一部分存储指向方法区对象类型数据的指针.
加锁
在代码进入同步块的时候, 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 (官方把这份拷贝加了一个 Displaced 前缀, 即 Displaced Mark Word). 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. 如果这个更新动作成功, 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(Mark Word 的最后 2bit) 将转变为 "00", 即表示此对象处于轻量级锁定状态. 如果这个更新操作失败了, 虚拟机首先会检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧, 如果是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁, 那就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. 如果有两条以上的线程争用同一个锁, 那轻量级锁就不再有效, 要膨胀为重量级锁, 锁标志的状态值变为 "10",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要进入阻塞状态.
解锁
解锁过程也是通过 CAS 操作来进行的. 如果对象的 Mark Word 仍然指向着线程的锁记录, 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, 如果替换成功, 整个同步过程就完成了. 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.
性能
没有锁竞争时, 轻量级锁用 CAS 操作替代互斥量的开销, 性能较优. 有锁竞争时, 除了互斥量开销, 还有 CAS 操作开销, 所以性能较差. 但是, 一般情况下, 在整个同步周期内都是不存在竞争的 ", 这是一个经验数据.
偏向锁(Biased Locking)
偏向锁也是 JDK1.6 中引入的锁优化, 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 操作都不做了.
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 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. 当有另外一个线程去尝试获取这个锁时, 偏向模式结束.
偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能, 但并不一定总是对程序运行有利. 如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问, 那偏向模式就是多余的. 在具体问题具体分析的前提下, 有时候使用参数
-XX:-UseBiasedLocking
来禁止偏向锁优化反而可以提升性能.
来源: https://juejin.im/post/5b33516c51882574e40e9c7e