【转】线程安全与锁优化

转载自http://xussen.iteye.com/blog/1677402

        Brian Goetz对线程安全的定义：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

        并发处理的广泛应用是使得Amdahl定律替代摩尔定律成为计算机性能发展源动力，是人类压榨计算机运算能力最有力的武器

线程安全：

          限定为多个线程之间存在共享数据访问。因为如果多个线程之间不存在共享数据的话，那么从线程安全的角度看，程序串行和多线程执行时完全没有区别的。

java里面安全程度由强到弱排序(也是由Brian Goetz提出的)：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。
java里面很多看上去非常安全的类，比如vector其实也不能满足这一点。例子：
线程A
for(int i=0; i<vectoe.size();i++) {
vector.remove(i);
}
线程B
for(int i=0; i<vectoe.size();i++) {
vector.get(i);
}
会报ArrayIndexOutOfBoundsException。
需要额外的同步
线程A
synchronized{
for(int i=0; i<vectoe.size();i++) {
vector.remove(i);
}
}
线程B
synchronized{
for(int i=0; i<vectoe.size();i++) {
vector.get(i);
}
}
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。

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。

线程安全的实现
1、互斥同步
在多线程访问的时候，保证同一时间只有一条线程使用。
临界区(Critical Section)，互斥量(Mutex)，信号量(Semaphore)都是同步的一种手段
          java里最基本的互斥同步手段是synchronized，编译之后会形成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(可以通过工具读class文件,这是以后必须要做的)，还有个锁的计数器，来记录拥有锁的次数，跟AQS里面的state一样
        其实在“Java与线程”里已经提到，java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的，不管阻塞还是唤醒都需要操作系统的帮忙完成，都需要从用户态转换到核心态，这是很耗费时间的，是java语言中的一个重量级(Heavyweight)操作，虽然虚拟机本身会做一点优化的操作，比如通知操作系统阻塞之前会加一段自旋等待的过程，避免频繁切换到核心态。

 
ReentrantLock也是一个很好的选择。
1)ReentrantLock比synchronized增加了一些高级的功能
2)从性能角度考虑，在JDk1.5时代，多线程环境下synchronized的吞吐量下降得非常严重，而ReentrantLock则能保持在比较稳定的水平线上，但是从1.6开始两者性能上基本持平。所以现在这个理由已经不再是了。

 
        虚拟机未来一定是向原生的synchronized改进，所以提倡在synchronized能实现需求的情况下，优先考虑synchronized

2、非阻塞同步
        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。

我的理解就是把那些 需要同步需要多个操作完成的任务沉到硬件指令来完成
这类的指令有：
1)测试并设置(test-and-set)
2)获取并增加
3)交换
4)比较并交换(CAS)
5)加载链接/条件储存(Load-Linked/Store-Conditional  LL/SC)
           后面两条是现代处理器新增的处理器指令，在JDK1.5之后，java中才可以使用CAS操作，就是传说中的sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法的包装提供，虚拟机对这些方法做了特殊的处理，及时编译出来的结果就是一条平台相关的处理器CAS指令，没有方法调用的过程，可以认为是无条件的内联进去。
            原来需要对i++进行同步，但现在有了这种CAS操作来保证原子性，比如用AtomicInteger。 但是不要忘记了CAS存在一个ABA的问题。可以通过AtomicStampedReference来解决
3、无同步方案
      要保证线程安全，并不一定就要进行同步，没因果关系。

锁优化
     高效并发是JDK1.6的重要主题(所以我们都会觉得直接跳过1.5用1.6)，HotSpot虚拟机开发团队花大量精力实现锁的优化技术 如：适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁、偏向锁等

什么是自旋锁：

          互斥同步最大的问题就是阻塞的实现会影响性能，挂起和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成。同时虚拟机的开发团队注意到许多应用上，共享数据的锁状态只会持续很短的时间，为了这段时间去挂起和恢复线程不值得。可以让请求锁的线程稍等一会儿，看看持有锁的线程是否很快释放所。为了让线程等待，我们只须让线程执行一个忙循环(自旋)，这项技术就是所谓的自旋锁

什么是自适应自旋：

           1.6引入了自适应自旋锁，自旋锁的时间不再是固定的，而是由前一次的在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态决定。就是虚拟机对程序锁的状态的预测变得越来越聪明

锁消除：

           指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。判断依据来源于逃逸分析的数据支持。如Stringbuffer的例子，所有方法都是synchronized，但是虚拟机观察对象永远不会“逃逸”到客户端方法外，在及时编译之后，所有同步会被忽略掉。

锁粗化：

          比如Stringbuffer的append("a").append("b").append("c")会将synchronized的范围扩大到整个 。

轻量级锁：

          JDK1.6加入的新型锁机制。具体原理还是无法理解，讲的比较忽悠人。

 
偏向锁：

       JDK1.6引入的一项锁优化。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。JDK6中，偏向锁默认打开，它提高了单线程访问同步资源的性能，但如果你的资源或代码移植处在多线程的环境下，并且对自己的代码非常熟悉，大可禁用偏向锁。-XX:-UseBiasedLocking

在java编程思想中对synchronized的一点解释:
1、synchronized关键字的作用域有二种：
1）是某个对象实例内，synchronized aMethod(){}可以防止多个线程同时访问这个对象的synchronized方法（如果一个对象有多个synchronized方法，只要一个线程访问了其中的一个synchronized方法，其它线程不能同时访问这个对象中任何一个synchronized方法）。这时，不同的对象实例的synchronized方法是不相干扰的。也就是说，其它线程照样可以同时访问相同类的另一个对象实例中的synchronized方法；
2）是某个类的范围，synchronized static aStaticMethod{}防止多个线程同时访问这个类中的synchronized static 方法。它可以对类的所有对象实例起作用。

2、除了方法前用synchronized关键字，synchronized关键字还可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。用法是: synchronized(this){/*区块*/}，它的作用域是当前对象；

3、synchronized关键字是不能继承的，也就是说，基类的方法synchronized f(){} 在继承类中并不自动是synchronized f(){}，而是变成了f(){}。继承类需要你显式的指定它的某个方法为synchronized方法；