线程安全与锁优化

并发处理的广泛应用是使得Amdahl定律代替摩尔定律成为计算机性能发展源动力的根
本原因,也是人类"压榨”计算机运算能力的最有力武器。
根据线程安全程度从强到弱一共可以分成五个部分: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:指的是在Java语言中不可变的对象一定是线程安全的,无论是对象的方法实现还是方法的调用者,都不需要采取任何的线程安全措施,例如final,只要一个对象被正确的构建出来就会具有可见性,其外部的状态永远都不会改变。如果共享的数据是一个基本的数据类型,例如String,final关键字。String你对于它的任何操作都会新建一个对象,而final关键字则会永远不变,在JVM一直保持着。同样的还有一些Number的子类,Long,Double等数值,BigInteger,BigDecimal这种。但是号称原子性的AtomicInteger和AtomicLong并不是这种的。
理由:
private volatile int value;

    /**
     * Creates a new AtomicInteger with the given initial value.
     *
     * @param initialValue the initial value
     */
    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }
//在修改的时候其实没有返回一个新的对象而是安全的进行了修改。
//必须满足:无论是对象的方法实现还是方法的调用者,都不需要采取任何的线程安全措施
/**
     * Sets to the given value.
     *
     * @param newValue the new value
     */
    public final void set(int newValue) {
        value = newValue;
    }
绝对线程安全
一个类要达到“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”通常需要
付出很大的,甚至有时候是不切实际的代价。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。
如果说java.util.Vector是一个线程安全的容器,相信所有的Java程序员对此都不会有异
议,因为它的add()、getO和size()这类方法都是被synchronized修饰的,尽管这样效率很低,
但确实是安全的。但是,即使它所有的方法都被修饰成同步,也不意味着调用它的时候永远
都不再需要同步手段了,请看一下代码清单中的测试代码。
/**
 * description: Test
 * date: 2020/6/28 9:56
 *
 * @author: SmartCat994
 * version: 1.0.0
 */
//这边必须加Syn关键字不然就会报错,因为在多个线程进行同步的时候,如果一个线程错误的删除了一个下标i的元素,就会导致get(i)不可用
public class Test {
    private static Vector<Integer> vector = new Vector<>();

    public static void main(String[] args) {
        while(true){
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                vector.add(i);
            }
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (vector) {
                        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                            vector.remove(i);
                        }
                    }
                }
            });

            Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (vector) {
                        for (int i = 0; i < vector.size(); i++) {
                            System.out.println(vector.get(i));
                        }
                    }
                }
            });
            thread.start();
            thread1.start();
            while (Thread.activeCount()>20) {
                ;
            }
        }
    }
}
相对线程安全
相对的线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全,它需要保证对这个对象单独的
操作是线程安全的,我们在调用的时候不需要做额外的保障措施,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。例如刚刚的Vector,HashTable。
线程兼容
线程兼容是指对象本身并不是线程安全的,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,我们平常说一个类不是线程安全的,绝大多数
时候指的是这一种情况。Java API中大部分的类都是属于线程兼容的,如与前面的Vector和
HashTable相对应的集合类ArrayList和HashMap等。
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。由于Java语言天生就具备多线程特性,线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的,
而且通常都是有害的,应当尽量避免。
-个线程对立的例子是Thread类的suspend()和resume()方法,如果有两个线程同时持
冇•个线程对象,一个尝试去中断线程,另一个尝试去恢复线程,如果并发进行的话,无论
调用时是否进行了同步,目标线程都是存在死锁风险的,如果suspend()中断的线程就是即
将要执行resume])的那个线程,那就肯定要产生死锁了。也正是由于这个原因,suspend。和
resume()方法已经被JDK声明废弃(@Deprecated) 了。常见的线程对立的操作还有System,
sctln。、Sytem.sctOut()和 System.nmFinalizersOnExit()等。

线程安全的现实方式
1.互斥同步
同步:多个线程在并发共享数据的时,保证共享数据在同一个时刻只被一个线程使用。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,因此在互斥同步中,互斥是因,同步是果,互斥是方法,同步是目的
在Java中最基础的互斥同步手段就是synchronized关键字,synchronized关键字经过编译之后会在同步块的前后生成两个指令码,这两个指令都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象,指明了谁就是谁来做这个reference,如果没有就会根据synchronized修饰的是类方法还是实例方法来对应的去拿到对象实例或者Class对象作为锁对象。
子根据虚拟机规范的要求,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相应的,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,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。
在对monitorenter和monitorexit的行为描述中,有两点是需要特别注意的。首先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情况。其次同步块在已进入的线程执行完毕之前,会阻塞后面其他线程的进入。
这点要注意一个点。Java的线程是需要映射到操作系统的原生线程上的,如果需要阻塞或者唤醒一个县城都需要耗费很多处理器的时间,所以在很简单的同步块上可以这个转换的时间比运行的时间还要长,所以使用synchronized的时候需要注意。
除了使用synchronized还可以使用重入锁,在基本用法上,synchronized和重入锁很像,只是代码上有区别一个是API上的,一个是原生语法上的。不过重入锁有三个特征是synchronized没有的。
1.等待可中断: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.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。
3.锁可以绑定多个条件: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。
2.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,从处理问题的方式上说,互斥同步属于一种悲观
的并发策略,总是认为只要不去做正确的同步措施(例如加锁),那就肯定会出现问题,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、维护锁计数器和检査是否有被阻
塞的线程需要唤醒等操作。随着硬件指令集的发展,我们有了另外一个选择:基于冲突检测
的乐观并发策略,通俗地说,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,那就再采取其他的补偿措施(最常见的补偿措
施就是不断地重试,直到成功为止),这种乐观的并发策略的许多实现都不需要把线程挂起,
因此这种同步操作称为非阻塞同步。
但是乐观锁这种是需要一定硬件来进行支持的,操作和冲突检测是需要一定的原子性的,需要指令的支持例如:测试并设置,获取并增加,交换,比较并交换,条件存储等
在Java1.5之后,Java程序才可以使用CAS操作,该操作由Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法包装提供,虚拟机在内部对这些方法做了特殊处理,编译出来的指令是一条平台相关的CAS指令,没有方法调用的过程,或者可以认为是无条件内联进去了。
3.无同步方案
要保证线程安全,并不是一定就要进行同步,两者没有因果关系。同步只是保证共享数
据争用时的正确性的手段,如果-个方法本来就不涉及共享数据,那它自然就无须任何同步
措施去保证正确性,因此会有些代码天生就是线程安全的,简单地介绍其中的两类。
可重入代码:这种代码也叫做纯代码,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。相对线程安全来说,可重入性是更基本的特性,它可以保证
线程安全,即所有的町重入的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
可重入代码有一些共同的特征,例如不依検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。我们可以通过一个简单的原则来判断
代码是否具备可重人性:如果一个方法,它的返回结果是可以预测的,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。
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?如果能保证,我们就可以
把共享数据的可的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。
符合这种特点的应用并不少见,大部分使用消费队列的架构模式(如“生产者-消费
者”模式)都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完,其中最重要的一个应用实例就
是经典Web交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”(Thread-per-Requcst)的处理方
式,这种处理方式的广泛应用使得很多Web服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程
安全问题。
方法:通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。您一个
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值对中找冋对应的本地线程变量。

锁优化
高效并发是从JDK1.5之后一个重要的改进,如适应性自旋,锁消除,锁粗化,轻量级锁,偏向锁等技术都是为了更好的在线程之间更好的共享数据,以解决竞争问题。

自旋锁与自适应锁
通过前面知道互斥同步:对性能影响最大的是阻塞这个情况,挂起线程和恢复线程的操作需要转入内核态中完成。所以如果共享数据的过程很短,最好是把线程稍微等一下而不是挂起再恢复。所以出现了一个技术“自旋”:让线程执行一个忙循环
自旋锁在JDK1.4之后引入,自旋等待可以避免线程的挂起和恢复操作,但是自旋依然会占用一定的处理器资源(至少需要它去运行一个段忙循环),所以自旋最好是根据等待的时候来进行选择,如果时间长最好不自旋,如果时间短最好自旋。
在JDK 1.6中引入了自适应的自旋,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。如果在同一个锁对象上,自旋等
待刚刚成功获得过锁,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
可能再次成功,进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间,比如100个循环。另外,如果
对于某个锁,自旋很少成功获得过,那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程,以避
免浪费处理器资源。有了自适应自旋,随着程序运行和性能监控信息的不断完善,虚拟机对
程序锁的状况预测就会越来越准确,虚拟机就会变得越来越“聪明” 了。(我认为这个的实现是需要一个计数器的)
锁消除
有一些代码其实是线程绝对安全的,在堆上的变量更不不会泄露。例如在StringBuilder.app()上加了Syn关键字。但其实StringBuilder是一个绝对安全的,每一次的操作都是生成一个新的对象,所以在JVM会进行优化,删除掉Syn关键字。
粗化锁
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一只在
共享数据的实际作用域中才进行同步,这样是为了使得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。
大部分情况下,上面的原则都是正确的,但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反
复加锁和解锁,甚至加锁操作是出现在循环体中的,那即使没有线程竞争,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
零碎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,以代码清单13-7为例,就是扩展到第一个append。操作之前直至最后一个append。操
作之后,这样只需要加锁一次就可以了。
轻量级锁
轻暈级锁是JDK 1.6之中加入的新型锁机制,它名字中的“轻量级”是相对于使用操作
系统互斥量来实现的传统锁而言的,因此传统的锁机制就称为“重量级”锁。首先需要强调
一点的是,轻;S级锁并不是用来代替重量级锁的,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。
要理解轻最级锁,以及后面会讲到的偏向锁的原理和运作过程,必须从HotSpot虚拟机
的对象(对象头部分)的内存布局开始介绍。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,如哈希码(HashCode). GC分代
年龄(Generational GC Age)等,这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit
和64bit,官方称它为“Mark Word”,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
另外一部分用于
存储指向方法区对象类型数据的指针,如果是数组对象的话,还会有一个额外的部分用于存
储数组长度。

当进入到一个同步块的时候,先看这个对象有没有被锁,如果没有那么它的头中的标志位就是01,然后就会在栈帧中加一个锁记录的空间,用于存储锁对象目前的MK拷贝

 

 

然后会进行CAS操作,将对象头中的MK更新为指向锁记录的指针,然后将状态位变成00,这样的就是轻量级锁了 

 

 

 如果更新操作失败了,会首先检查对象的MK是否指向当前线程的栈帧,如果已经有了锁就继续同步代码块,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(互斥锁)的指针,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

上面描述的是轻量级锁的加锁过程,它的解锁过程也是通过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,唤曜被挂起的线程。
轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁,在整个同步周期内都是不
存在竞争的。这是一个经验数据。如果没有竞争,轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥
址的开销,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,因此在有
竞争的情况下,轻最级锁会比传统的重量级锁更慢。
偏向锁
偏向锁也是JDK 1.6中引入的一项锁优化,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
“
偏向锁的“偏",就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”,它的意思是这个锁会偏向于第一个
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。
如果读者读懂了前面轻量级锁中关于对象头Mark Word与线程之间的操作过
程,那偏向锁的原理理解起来就会很简单。假设当前虚拟机启用了偏向锁(启用参
数-XX:+UseBiasedLocking,这是JDK 1.6的默认值)。
那么,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【D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(例如
Locking、Unlocking 及对 Mark Word 的 Update 等)。
  锁升级简要图

 

 

 

 

posted @ 2020-06-28 18:26  smartcat994  阅读(20)  评论(0编辑  收藏