JVM笔记 – 高效并发(线程安全与锁优化)
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1、概述2、线程安全2.1、Java语言中的线程安全不可变绝对线程安全相对线程安全线程兼容线程对立2.2、线程安全的实现方法互斥同步非阻塞同步无同步方案3、锁优化3.2、锁消除3.3、锁粗化3.4、轻量级锁3.5、偏向锁4、本章小结
1、概述
2、线程安全
2.1、Java语言中的线程安全

按照线程安全的“安全程度”由强至弱来排序,我们可以将Java语言中各种操作共享的数据分为以下5类:不可变、绝对线程安全、相对线程安全、线程建荣和线程对立。

不可变

不可变的对象一定是线程安全的。

保证对象行为不影响自己状态的途径有很多种,其中最简单的就是把对象中带有状态的变量都声明为final。

Java API中符合不可变要求的类型:String,java.lang.Number的部分子类(如Long和Double的数值包装类,BigInteger和BigDecimal等大数据类型但`AtomicInteger`和`AtomicLong`则并非不可变的)。

绝对线程安全

Java API中标注自己是线程安全的类,大多数都不是绝对线程安全的。

相对线程安全

Java语言中,大部分的线程安全都属于这种类型,例如Vector,HashTable,Collections的synchronizedCollection()方法包装的集合等。

线程兼容

指通过使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全的使用。Java API中大部分的类都是属于线程兼容的,如ArrayList和HashMap。

线程对立

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。

一个线程对立的例子就是Thread类的suspend()和resumn()方法(已被JDK声明废弃了)。

常见的线程对立操作还有System.setIn(), System.setOut(), System.runFinalizersOnExit()...

2.2、线程安全的实现方法
互斥同步

Java中,最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字。

synchronized是一个重量级的操作,因为:Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一个线程,都需要操作系统来帮忙完成,这就需要从用户态转换到核心态中,因此状态转换需要消耗很多的处理器时间。对于代码简单的同步块(如synchronized修饰的getter()和setter方法),状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。

还可以使用java.util.concurrent包中的`ReentrantLock(重入锁)`来实现同步:JDK1.5多线程环境下synchronized的吞吐量下降的很严重,而ReentrantLock则基本保持在同一个比较稳定的水平上。JDK 1.6之后两者性能基本持平。

虚拟机在未来的性能改进中还会更偏向于原生的synchronize的,所以还是

提倡在synchronized能实现需求的情况下,优先考虑使用synchronized来进行同步。

非阻塞同步

非阻塞同步: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。随着硬件指令集的发展,我们可以采用基于冲突检查的乐观并发策略,通俗地说,就是先行操作,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偶读不需要把线程挂起,因此这话总同步操作称为非阻塞同步。

无同步方案

如果一个方法本来就不设计共享数据,那它自然就无须任何同步措施去保证正确性,因此会有一些代码天生就是线程安全的。这类代码包括:可重入代码和线程本地存储。

3、锁优化

为了进一步改进高效并发,HotSpot虚拟机开发团队在JDK1.6版本上花费了大量精力实现各种锁优化。

##3.1、自旋锁与自适应自旋

为了让线程等待,我们只需要让线程执行一个忙循环(自旋),这项技术就是所谓的自旋锁。引入自旋锁的原因是互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现,管钱线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成,给并发带来很大压力。自旋锁让物理机器有一个以上的处理器的时候,能让两个或以上的线程同时并行执行。

3.2、锁消除

消除锁是指虚拟机即时编译器在运行时,对一些代码上要求同步,但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

3.3、锁粗化

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,则可以进行锁粗化的优化。

3.4、轻量级锁

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。

但是如果存在锁竞争,除了互斥量的开销,还发生了CAS操作,因此在有竞争的情况下,轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

3.5、偏向锁

如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用了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了,连CAS操作都不做了。

4、本章小结
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2015 3/2
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