執行緒安全與鎖優化

Java中執行緒安全

對共享資料的操作

1.        不可變：

不可變的物件一定是執行緒安全的。如String類。

2.        絕對執行緒安全

3.        相對執行緒安全

4.        執行緒相容

5.        執行緒對立

執行緒安全的實現方法

1.        互斥同步（阻塞式同步）

1)        同步指的是：多個執行緒併發訪問共享資料時，保證共享資料在同一時刻只能被一個執行緒使用。

2)        互斥指的是：同步的手段。如：臨界區、互斥量和訊號量。

3)        最基本的同步互斥手段：synchronized關鍵字。

a)        原理：synchronized關鍵字經過編譯後，會在同步程式碼塊前後分別形成monitorenter和monitorexit這兩個位元組碼指令。

b)        在執行monitorenter指令時，首先要嘗試獲取物件鎖。若這個物件沒被設定鎖，或已經擁有了這個物件鎖，把鎖的計數器+1。

c)        相應的執行monitorexit指令時，鎖計數器-1，當為0時釋放鎖。

d)        若獲得物件失敗則阻塞當前執行緒。

4)        另一種手段：ReentrantLock來實現

reentrantLock增加的新功能：

a)        等待中斷：當持有鎖的執行緒長期不釋放鎖的時候，正在等待的執行緒可以選擇放棄等待。

b)        公平鎖：可以講多個執行緒在等待同一個鎖時，必須按照申請鎖的時間順序依次獲得鎖。

c)        鎖繫結多個條件：一個ReentranLock物件可以同時繫結多個Condition物件。

5)        兩種方式的比較：

a)        在JDK1.6之前在多執行緒環境中synchronized的吞吐量下降的嚴重，但ReentranLock效能幾乎不變。

b)        在JDK1.6之後二者效能基本上持平。

c)        應該優先考慮使用synchronized來同步。

2.        非阻塞同步

1)        互斥同步屬於一種悲觀的併發策略。即總認為不去做同步措施就一定會出現問題，故無論共享資料是否真的會出現競爭，都要加鎖。

2)        非執行緒阻塞：是基於衝突檢測的樂觀併發控制策略。即先操作，如果沒有其它執行緒徵用共享資料，則成功。如果共享資料有徵用，採取補償措施。（不斷的重試，直到成功）

3.        無同步方案

如果方法中不涉及共享資料，那它自然無須任何同步措施去保證正確性。

1)        可重入程式碼

可重入的程式碼都是執行緒安全的，但並非所有的執行緒安全的程式碼都是可重入的。

2)        執行緒本地儲存

鎖優化

鎖優化技術：適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖。

適應性自旋

1.        自旋鎖：當兩個或兩個以上的執行緒同時並行執行，讓後面請求鎖的那個執行緒“稍等一下”，但不放棄處理器的執行時間，看看持有所的執行緒是否能很快釋放鎖。

2.        缺點：自旋的執行緒只會白白消耗處理器資源，帶來效能上的浪費。故需要使等待時間有一定的限度

3.        改進：等待時間要自適應。等待時間隨著程式執行和效能監控資訊的不斷完善。

鎖消除

1.        鎖消除：虛擬機器及時編譯器在執行時，對一些程式碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享資料競爭的鎖進行消除。

2.        判斷依據：源於逃逸分析的資料支援。若堆上的所有資料都不會逃逸出去從而被其他執行緒訪問到，那就可以吧它們當作棧上的資料看待。

粗粒化

1.        上面出現的問題：如果一系列的連續操作都對同一個物件反覆加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現在迴圈體中，那即使沒有執行緒競爭，頻繁地進行互斥同步操作也會導致不必要的效能損耗。

2.        措施：如果虛擬機器探測到有這樣一串零碎的操作都對同一個物件加鎖，【將會把加鎖同步的範圍擴充套件到整個操作序列外部】。

輕量級鎖

1.        加鎖過程：

1)        程式碼進入到同步程式碼塊的時候，如果此同步物件沒有被鎖定，將會在當前執行緒的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）空間，用來儲存物件目前的頭資料。

2)        將物件的頭記錄更新為指向Lock Record的指標。

a)        更新成功：那麼這個執行緒就擁有了該物件的鎖

b)        失敗：檢查物件的物件頭是否指向當前執行緒的棧幀。

a)        是：說明當前執行緒已經擁有這個物件的鎖，直接進入同步塊中執行。

b)        否：說明這個鎖物件已經被其他執行緒搶佔。

3)        如果兩條以上執行緒徵用同一個鎖，那輕量級鎖失效。

2.        解鎖過程：

1)        若物件的物件頭仍然指向現成的鎖記錄，則把物件當前的Mark Word和執行緒中副本替換回來。

a)        成功：整個同步過程完成

b)        失敗：說明其他執行緒嘗試獲取該鎖，那就要釋放鎖的同時喚醒被掛起的執行緒。

偏向鎖

1.        與輕量級鎖的區別：

輕量級鎖：是在無競爭情況下，消除同步使用的互斥量。

偏向鎖：在無競爭情況下把整個同步都消除掉。

2.        加鎖過程：

1)        當鎖物件第一次被執行緒獲取的時候，虛擬機器包物件頭中的標記為設為“01”。

2)        把獲取到這個鎖的執行緒的ID記錄在物件的Mark Word之中。

a)        成功：持有偏向鎖的執行緒以後每次進入這個鎖相關的同步塊時，可不再進行任何同步操作。

3.        解鎖過程：

1)        當有另外一個執行緒去嘗試獲取這個鎖時，偏向模式宣告結束。

2)        根據鎖物件目前是否處於被鎖定的狀態，撤銷偏向後恢復到“01”或“00”。

4.        優點：

提高帶有同步但競爭的程式效能。