《深入理解Java虚拟机》笔记--线程安全与锁优化

1.线程安全

如果不用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,那这个对象是线程安全的。(要求代码本身封装好了保障手段,令调用者无需关心多线程的问题,更无需自己采取任何措施保障线程安全)

1.1Java语言中的线程安全

按照线程的“安全程序”由强至弱划分,可以分为5类

  1. 不可变
    如果一个不可变的对象创建了(例如被final修饰),那不管哪个线程看到的永远都是一个值,自然就是线程安全的。
    String的substring()replace()等方法都不会影响他原来的值,只是返回一个新构造的字符串对象
    2.绝对线程安全
    绝对线程安全将是最上面定义的内容,但是通常没有绝对线程安全。
    比如一些常说的线程安全的类,如Vector是一个线程安全的容器,因为内部的add(),get()方法都是被synchronized修饰的。但是仍然要在方法调用端做额外的同步措施
  2. 相对线程安全
    这个就是普遍说的线程安全,比如Vector,HashTable
  3. 线程兼容
    线程兼容指对象本身并不是线程安全的,但是可以通过正确的调用手段来保障对象并发环境中可以安全的使用,例如 ArrayList,HashMap
  4. 线程对立
    无论调用端怎么做都无法保障线程安全

1.2线程安全的实现方法

1.2.1互斥同步(阻塞同步)

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个时刻只被一个(或者是一些,使用信号量时)线程使用。而互斥是实现同步的一种手段,互斥锁方法,同步是目的
最基本的互斥手段是使用synchronized

  • synchronized关键字经过编译后,会在同步代码块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令(XXXenter和XXXexit这样就好记了),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,那就算这个对象的reference;如果没有明确指定,那家根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法,去取对于的对象实例或Class对象作为锁对象
  • 根据虚拟机规范要求,在执行monitorenter指令时,首先要尝试获取对象的锁。如果这个对象没有被锁,或当前线程已经拥有了那个对象的锁,就把锁的计数器加1,相应的,在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1,当计数器值为0时,锁就被释放。如果获取对象锁失败,那么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琐死的问题。同步快在已进入的线程执行完之前,会阻塞后面其他线程的进入。
  • synchronized虽然看起来是“万能”的,但不建议滥用的原因是因为消耗大。因为Java线程是映射到操作系统原生线程的,如果要阻塞或唤醒一个线程都需要原生线程帮忙完成,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语言中的一个重量级操作

除了synchronized之外,java.util.concurrent包下的重入锁(ReentrantLock)来
实现同步,重入锁多了一些高级功能:等待可中断、可实现公平锁、锁可以绑定多个条件

  • 等待可中断: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,可中断性对处理执行时间非常长的同步快很有帮助
  • 公平锁:是指多个线程等待同一个锁时,必须按照申请锁的时间顺序来一次获得锁;而非公平锁无法保证这一点,在锁被释放时,任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中锁锁就锁非公平的,ReentrantLock默认锁也是非公平的,但是可以通过布尔值的构造函数要求使用公平锁
  • 以绑定多个条件: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,如果要和多余一个条件关联的时候,就不得不额外添加一个锁,而ReentrantLock则无需这样做,只需要多次调用newCondition()方法即可

JDK1.6之前ReentrantLock性能比synchronized好,1.6后持平

1.2.2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,所以也叫阻塞同步。从处理问题的方式说,互斥同步(阻塞同步)属于一种悲观的并发策略(所以叫叫悲观锁么??)
  • 悲观的并发策略:总是认为主要不去做做正确的同步措施(如:加锁),那家肯定会出现问题,无论共享数据是否真的会出现竞争,它都要进行加锁、用户态到核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要被唤醒
  • 随着硬件指令的发展,新的选择:基于冲突检测的乐观并发策略:先执行,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(最常见的补偿措施家是不断的重试,知直到成功),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

1.2.3无同步方案

要保证线程安全,并不一定就要进行同步,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,如果一个方法本来就不涉及共享数据,那它自然就无需任何同步措施去保证正确性,因此会有一些代码天生就是线程安全的

  • 可重入代码
  • 线程本地存储-ThreadLocal
    每个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象,这个对象存储了一组以ThreadLocal.threadLocalHashCode为健,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值中找回对于的本地线程变量

2.锁优化

都是虚拟机开发团队优化锁机制,一堆哔哩吧啦的,也不知道咋记录。想知道具体的,就去百度或者翻书吧

2.1 自旋锁与自适应自旋

2.2锁消除

2.3锁粗化

简单的说就是一个类里,一块代码加一个锁,还不如整个类都锁起来。大致是这个意思

2.4轻量级锁

2.5偏向锁

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