線程安全與鎖優(yōu)化

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上【黑馬程序員】線程安全與鎖優(yōu)化摘要： 一、線程安全 當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果不用考慮這些線程在運(yùn)行時(shí)環(huán)境下的調(diào)度和交替執(zhí)行，也不需要進(jìn)行額外的同步，或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其他的協(xié)調(diào)操作，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都可以獲得正確的結(jié)果，那么這個(gè)對(duì)象時(shí)線程安全的。一、線程安全當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果不用考慮這些線程在運(yùn)行時(shí)環(huán)境下的調(diào)度和交替執(zhí)行，也不需要進(jìn)行額外的同步，或者在調(diào)用方進(jìn)行任何其他的協(xié)調(diào)操作，調(diào)用這個(gè)對(duì)象的行為都可以獲得正確的結(jié)果，那么這個(gè)對(duì)象時(shí)線程安全的。線程安全的代碼都必須具備一個(gè)特征：代碼本身封裝了 所有畢業(yè)的正確性保障手段，令調(diào)用者無(wú)須關(guān)系多線程的問(wèn)

2、題，更無(wú)須自己采用任何措施來(lái)保證多線程正確調(diào)用。1、java語(yǔ)言中的線程安全此處討論線程安全，限定于多個(gè)線程之間存在數(shù)據(jù)訪問(wèn)的前提。按照線程安全與強(qiáng)到弱排序，將java語(yǔ)言中各種操作共享數(shù)據(jù)分為5類(lèi)：· 不可變：不可變的對(duì)象一定是線程安全的，無(wú)論是對(duì)象的方式實(shí)現(xiàn)還是方法發(fā)調(diào)用者，都不需要采取任何線程安全保障措施。如果共享數(shù)據(jù)是一個(gè)基本數(shù)據(jù)類(lèi)型，那么只有在定義時(shí)使用final關(guān)鍵字修飾它，就可以保證他是不可變的。如果共享數(shù)據(jù)是一個(gè)對(duì)象，那就要保證對(duì)象的行為不會(huì)對(duì)其自身狀態(tài)產(chǎn)生任何影響。簡(jiǎn)單的方式就是把對(duì)象中帶有狀態(tài)的變量都聲明為final，這樣在構(gòu)造函數(shù)結(jié)束之后，他就是不可變的。

3、83; 絕對(duì)線程安全：滿(mǎn)足線程安全的定義“不管運(yùn)行時(shí)環(huán)境如何，調(diào)用者都不需要任何額外的同步措施”· 相對(duì)線程安全：就是通常意義上講的線程安全，他需要保證對(duì)這個(gè)對(duì)象單獨(dú)操作是線程安全的，在調(diào)用的時(shí)候不需要額外的保證措施，對(duì)一些特定順序的連續(xù)調(diào)用，就可以需要在調(diào)用端使用額外的同步手段來(lái)保證調(diào)用的正確性。在java中大部分線程安全都屬于此類(lèi)，如Vector、HashTable、Collections的synchronizedCollection()方法包裝的集合等。· 線程兼容：指對(duì)象本身不是線程安全的，可以通過(guò)調(diào)用端正確的使用同步手段保證對(duì)象在并發(fā)環(huán)境中可以安全的使用。平時(shí)常說(shuō)

4、的一個(gè)類(lèi)不是線程安全的，絕大多數(shù)指的是這一種情況· 線程對(duì)立：無(wú)論調(diào)用端是否采取了同步措施，都無(wú)法在多線程環(huán)境中并發(fā)使用代碼。2、線程安全的實(shí)現(xiàn)方法2.1、互斥同步互斥同步是常見(jiàn)的一種并發(fā)正確性保障手段。同步是指在多個(gè)線程并發(fā)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)，保證共享數(shù)據(jù)在同一個(gè)時(shí)刻只被一個(gè)線程使用?；コ馐菍?shí)現(xiàn)同步的一種手段，臨界區(qū)(Critical Selection)、互斥量(Mutex)、信號(hào)量(Semaphore) 都是主要的互斥實(shí)現(xiàn)方式。因此互斥是因，同步是果，互斥是方法同步是目的。java中最基本的互斥手段就是synchronized關(guān)鍵字，synchronized關(guān)鍵字經(jīng)過(guò)編譯后，會(huì)在同

5、步塊前后分撥形成monitorenter、monitorexit兩個(gè)字節(jié)碼指令，這兩個(gè)字節(jié)碼都需要一個(gè)reference類(lèi)型參數(shù)來(lái)指明要鎖定和解鎖的對(duì)象。如果synchronized明確指定了對(duì)象參數(shù)，那就是這個(gè)對(duì)象的reference；如果沒(méi)有明確指定，那就根據(jù)synchronized修飾的是實(shí)例方法還是類(lèi)方法來(lái)作為所對(duì)象。除了synchronized關(guān)鍵字外，還可以使用java.util.concurrent包中重入鎖(ReentrantLock)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，ReentrantLock與synchronized具備一樣的線程重入特性。ReentrantLock高級(jí)特性：· 等待可

6、中斷：指當(dāng)持有鎖的線程長(zhǎng)期不釋放鎖的時(shí)候，正在等待的線程可以選擇放棄等待，改為處理其他事情· 可實(shí)現(xiàn)公平鎖：指多個(gè)線程在等待同一個(gè)鎖時(shí)，必須按照申請(qǐng)鎖的時(shí)間順序來(lái)一次獲得鎖；而非公平鎖不保證這一點(diǎn)。synchronized是非公平的· 鎖綁定多個(gè)條件：一個(gè)ReentrantLock對(duì)象可以同時(shí)綁定多個(gè)Condition對(duì)象。2.2 非阻塞同步互斥同步最主要問(wèn)題就是進(jìn)行線程阻塞和喚醒時(shí)帶來(lái)的性能問(wèn)題，這種同步也稱(chēng)為阻塞同步。非阻塞同步：先進(jìn)行操作，如果沒(méi)有其他線程爭(zhēng)用共享數(shù)據(jù)，那操作就成功了；如果共享數(shù)據(jù)有爭(zhēng)用，產(chǎn)生了沖突，那就采取其他補(bǔ)償措施，這種樂(lè)觀的并發(fā)策略虛的實(shí)現(xiàn)都不

7、需要講線程掛起。需要操作和沖突檢測(cè)具備原子性，通過(guò)硬件來(lái)完成。語(yǔ)義上需要多次操作的行為只通過(guò)一條處理器指令就能完成，如：· 測(cè)試并設(shè)置(Test-and-set)· 獲取并增加(Fetch-and-increment)· 交換(swap)· 比較并交換(Compare-and-swap,CAS)· 加載連接/條件存儲(chǔ)(Load-linked/Store-conditional,LL/SC)CAS指令需要有3個(gè)操作數(shù)，分撥是內(nèi)存地址(V)、舊的預(yù)期值(A)、新值(B)。CAS指令執(zhí)行時(shí)，當(dāng)且僅當(dāng)V符合舊預(yù)期值A(chǔ)時(shí)，處理器用新值B更新V的值，否則就

8、不執(zhí)行更新；無(wú)論是否更新了V，都會(huì)返回V的舊值，上述處理過(guò)程是一個(gè)原則操作。2.3 無(wú)同步方案如果一個(gè)方法本來(lái)就不涉及共享數(shù)據(jù)，就無(wú)需任何同步措施保證正確性。· 可重入代碼：也叫純代碼，可以在代碼執(zhí)行的任何時(shí)刻中斷它，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行另外一段代碼，而在控制權(quán)返回后，原來(lái)程序不會(huì)出錯(cuò)。可重入代碼特征：不依賴(lài)存儲(chǔ)在堆上的數(shù)據(jù)和公用的系統(tǒng)資源、用的狀態(tài)量都由參數(shù)中傳入、不調(diào)用非可重入的方法等。判斷代碼是否具備可重入性：如果一個(gè)方法返回結(jié)果可預(yù)測(cè)，只有輸入了相同的數(shù)據(jù)，都能返回相同的幾個(gè)，那就滿(mǎn)足可重入性的要求，也是線程安全的。· 線程本地存儲(chǔ)：如果一段代碼中所需的數(shù)據(jù)必須與其他代碼共享

9、，并且共享數(shù)據(jù)的可見(jiàn)范圍限制在同一個(gè)線程內(nèi)，那么無(wú)需同步也能保證線程之間不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)爭(zhēng)用。如大部分消息隊(duì)列架構(gòu)模式：生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式，都將產(chǎn)品消費(fèi)過(guò)程盡量在一個(gè)線程中消費(fèi)完。經(jīng)典的Web交互模式中“的一個(gè)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)服務(wù)器線程”的處理方法。3、鎖優(yōu)化高效并發(fā)是jdk 1.5 到 1.6 的一個(gè)重要改進(jìn)，HotSpot虛擬機(jī)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在這個(gè)版本花費(fèi)大量精力去實(shí)現(xiàn)各種鎖優(yōu)化技術(shù)，如適應(yīng)性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級(jí)鎖和偏向鎖，這些技術(shù)都是為了在線程之間更高效地共享數(shù)據(jù)以及解決競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，從而提高程序效率。1、自旋鎖與自適應(yīng)自旋互斥同步對(duì)性能最大的影響是阻塞的實(shí)現(xiàn)，掛起線程和恢復(fù)線程操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核

10、態(tài)中完成，這些操作給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來(lái)了很大的壓力；同時(shí)在許多應(yīng)用上，共享數(shù)據(jù)的鎖狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短的時(shí)間，為了這段時(shí)間去掛起和恢復(fù)線程并不值得。如果物理機(jī)有一個(gè)以上的處理器，能讓多于兩個(gè)的線程同時(shí)并行執(zhí)行，就可以讓后邊請(qǐng)求鎖的那個(gè)線程“稍等一下”，但不放棄處理器執(zhí)行時(shí)間，看看持有鎖的線程是否很快就會(huì)釋放。為了讓線程等待，只需讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋），這項(xiàng)技術(shù)就是自旋鎖。存在問(wèn)題：如果鎖被占用時(shí)間很短，自旋等待的效果就會(huì)很好；反之自旋線程白白消耗處理器資源，帶來(lái)性能上浪費(fèi)。jdk 1.6引入自適應(yīng)自旋鎖，如果在同一個(gè)鎖對(duì)象上，自旋等待剛剛成功獲得過(guò)鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行，虛擬機(jī)就會(huì)認(rèn)為

11、這次自旋也很有可能再次成功，進(jìn)而允許自旋等待持續(xù)相對(duì)更長(zhǎng)時(shí)間。如果某個(gè)鎖，自旋很少成功獲得，那在以后獲取鎖時(shí)可能忽略自旋過(guò)程。2、鎖消除鎖消除是虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)，對(duì)一些代碼上要求同步，但是被檢測(cè)到不可能存在數(shù)據(jù)共享競(jìng)爭(zhēng)的鎖進(jìn)行消除?？s消除判斷依據(jù)源于逃逸分析額數(shù)據(jù)支持，如果判斷在一段代碼中，堆上的所有數(shù)據(jù)都不會(huì)逃逸出去從而被其他線程訪問(wèn)到，那就可以把他們當(dāng)做棧上數(shù)據(jù)對(duì)待，認(rèn)為他們是線程私有的，同步加鎖就無(wú)需執(zhí)行。          public String concatString(String s1, String s2,

12、 String s3)             StringBuffer sb = new StringBuffer();            sb.append(s1).append(s2).append(s3);            return sb.toString();        

13、        /StringBuffer append源碼      public synchronized StringBuffer append(String str)               toStringCache = null;              super.append(

14、str);              return this;                    如上述代碼，StringBuffer.append()方法中都有一個(gè)同步塊，鎖就是sb對(duì)象，虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)變量sb的作用于限定在方法內(nèi)，也就是說(shuō)sb的所有引用永遠(yuǎn)不會(huì)“逃逸”出去，其他現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法訪問(wèn)到它，雖然里面有鎖，也可以被安全消除，在編譯后就會(huì)忽略同步直接執(zhí)行。3、鎖粗化編寫(xiě)代碼

15、時(shí)，總是推薦同步塊的作用范圍盡量小-只在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步，這樣為了使得需要同步的操作數(shù)量盡可能變小，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，那等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。大部分情況下，上面的方法是正確的。但如果一系列的連續(xù)操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖，針織加鎖操作是在循環(huán)體的，那即使沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)，頻繁的互斥同步操作也會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗。如上述append()方法就屬于這類(lèi)情況，如果虛擬機(jī)探測(cè)到有這樣一串零碎操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖，將會(huì)把加鎖同步范圍擴(kuò)展（粗化）到整個(gè)操作序列的外部，這樣只需加鎖一次就可以。4、輕量級(jí)鎖輕量級(jí)是相對(duì)于使用操作系統(tǒng)互斥量來(lái)實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)鎖而言的，輕量級(jí)鎖并不是用來(lái)代替重量級(jí)鎖

16、的，它的本意是在沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。HotSpot虛擬機(jī)對(duì)象頭內(nèi)存布局，第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)長(zhǎng)度在32位和64位虛擬機(jī)中分別為32bit和64bit，官方稱(chēng)為“Mark Word”，它是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵。另外一部分用于存儲(chǔ)指向方法區(qū)對(duì)象類(lèi)型數(shù)據(jù)的指針，如果是數(shù)組的話，還會(huì)有一個(gè)額外的部分用于存儲(chǔ)數(shù)組長(zhǎng)度。Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便在極小的空間內(nèi)存儲(chǔ)盡量多的信息，他會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用存儲(chǔ)空間。如32位的HotSpot虛擬機(jī)中對(duì)象未被

17、鎖定的狀態(tài)下，Mark word 的32bit 空間中的25bit用于存儲(chǔ)對(duì)象哈希碼，4bit存儲(chǔ)對(duì)象分代年齡，2bit存儲(chǔ)鎖標(biāo)志位，1bit固定為0，在其他狀態(tài)（輕量級(jí)鎖定、重量級(jí)鎖定、GC標(biāo)記、可偏向）下對(duì)象的存儲(chǔ)內(nèi)容見(jiàn)下表存儲(chǔ)內(nèi)容標(biāo)志位狀態(tài)對(duì)象哈希碼、對(duì)象分代年齡01未狀態(tài)執(zhí)行鎖記錄的指針00輕量級(jí)鎖定執(zhí)行重量級(jí)鎖的指針10膨脹(重量級(jí)鎖定)空，不記錄信息11GC標(biāo)記偏向線程ID、偏向時(shí)間戳、對(duì)象分代年齡01可偏向代碼進(jìn)入同步塊時(shí)，如果此同步的對(duì)象沒(méi)有鎖定（鎖標(biāo)志位為01），虛擬機(jī)首先將當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝。然后虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark work 更新為指向Lock Record 的指針。如果更新成功，那么這個(gè)線程就擁有該對(duì)象的鎖，并且對(duì)象mark word的鎖標(biāo)志位轉(zhuǎn)變?yōu)椤?0”，即表示處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)。如果更新操作失敗，虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的Mark word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是說(shuō)明當(dāng)前線程擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那就可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行。否則說(shuō)明這個(gè)鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占。如果有兩個(gè)以上線程爭(zhēng)用同一個(gè)鎖，那輕量級(jí)鎖就不再有效，要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志