线程安全

一、什么是线程安全?

当一个线程访问一个对象时,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,或者在调用方法进行任何其他协调操作,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。 线程安全的代码都必须具备一个特征:代码本身封装了所有必要的正确性保障手段(如互斥同步等),令调用者无需关心多线程的问题,更无须自己采取任何措施来保证多线程的正确调用。

二、java语言中的线程安全

我们将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、线程兼容和线程对立。

  1. 不可变 不可变(Immutable)的对象一定是线程安全的,无论是对象的方法实现还是方法的调用者,都不需要再采取任何的线程安全保障措施,只要一个不可变的对象被正确地构建出来(没有发生this引用逃逸的情况),那其外部的可见状态永远也不会改变,永远也不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。 例:被final修饰的变量,java.lang.String类的对象。
  2. 绝对线程安全 在Java API中标注自己是线程安全的类,大多数都不是绝对的线程安全。我们可以通过Java API中一个不是“绝对线程安全”的线程安全类来看看这里的“绝对”是什么意思。 例:java.util.Vector类,内部的方法是绝对线程安全的,所有方法都使用synchronized修饰。但是在实际调用中,也会出现不安全的情况,这和容器内代码无关,是使用中出现的问题。
  3. 相对线程安全 相对的线程安全就是我们通常意义上所讲的线程安全,它需要保证对这个对象单独的操作是线程安全的,我们在调用的时候不需要做额外的保障措施,但是对于一些特定顺序的连续调用,就可能需要在调用端使用额外的同步手段来保证调用的正确性。 在Java语言中,大部分线程安全类都属于这种类型,如Vector、HashTable、Collections的synchronizedCollection()方法包装的集合等。
  4. 线程兼容 线程兼容是指对象本身不是线程安全的,但是可以通过在调用端正确地使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全地使用。 Java API中大部分的类都是属于线程兼容的,如与前面的Vector和HashTable相对应的集合类ArrayList和HashMap等。
  5. 线程对立 线程对立是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。线程对立的代码通常都是有害的,应当尽量避免。 例如Thread类的suspend()和resume()方法,两个线程同时调用容易产生死锁,所以已经被jdk废弃(@Deprecated)了。

三、线程安全的实现方法

如何实现线程安全和代码编写有很大的关系,但虚拟机如何实现同步和锁机制也起到了非常重要的作用。本小节中重点介绍虚拟机如何实现同步与锁。

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。而互斥是实现同步的一种手段,临界区(Critical Section),互斥量(Mutex),信号量(Semaphore)都是主要的互斥实现方式。

Java中实现互斥同步的两种方法

  1. 使用synchronized实现同步,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。如果Java程序中的synchronized明确制定了对象参数,那就是这个对象的reference;如果没有明确指定,那就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法,去取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。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。
  2. 还可以使用java.util.concurrent(J.U.C)包中的重入锁(ReentrantLock)来实现同步,在基本用法上,与synchronized很相似,他们都具备一样的线程重入特性,只是代码写法上有点区别,一个表现为API层面的互斥锁(lock()和unlock()方法配合try/finally语句块来完成),另一个表现为原生语法层面的互斥锁。不过,相比synchronized,ReentrantLock增加了一些高级功能,主要有以下3项:等待可中断、可实现公平锁,以及锁可以绑定多个条件。
    • 等待可中断是指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,可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。
    • 公平锁是指多个线程在等待同一个锁时,必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁;而非公平锁则不保证这一点,在锁被释放时,任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁是非公平的,ReentrantLock默认情况下也是非公平的,但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。
    • 锁绑定多个条件是指一个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,如果要和多于一个的条件关联的时候,就不得不额外地添加一个锁,而ReentrantLock则无须这样做,只需要多次调用newCondition()方法即可。

缺点

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,因此这种同步也被称为阻塞同步(Blocking Synchronization)。互斥同步实际上是一种悲观的并发策略。

2. 非阻塞同步

基于冲突检测的乐观并发策略,通俗地说,就是先进行操作,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都不需要把线程挂起,因此这种操作称为非阻塞同步(Non-Blocking Synchronization)。

乐观并发策略需要“硬件指令集”,这类指令常用的有:

  • 测试并设置(Test-and-Set)
  • 获取并增加(Fetch-and-Increment)
  • 交换(Swap)
  • 比较并交换(Compare-and-Swap,下文称CAS)
  • 加载链接/条件存储(Load-Linked/Store-Conditional,下文称LL/SC)

CAS指令需要有3个操作数,分别是内存位置(在Java中可以简单理解为变量的内存地址,用V表示),旧的预期值(用A表示)和新值(用B表示)。CAS指令执行时,当且仅当V符合旧预期值A时,处理器用新值B更新V的值,否则它就不更新,但是无论是否更新了V的值,都会返回V的旧值,上述处理过程是一个原子操作。

缺点

CAS操作的“ABA”问题: 如果一个变量V初次读取的时候是A值,并且在准备赋值的时候检查到它仍然为A值,那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗?如果在这段期间它的值曾经被改成了B,后来又被改回为A,那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。 大部分情况下ABA问题不会影像程序并发的正确性,如果需要解决ABA问题,改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

3. 无同步方案

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。

  • 可重入代码(Reentrant Code):可重入代码有一些共同的特征,例如不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。
  • 线程本地存储(Thread Local Storage):如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享,那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行?如果能保证,我们就把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内,这样,无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。 java中通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储功能。每一个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象,这个对象存储了一组以ThreadLocal.threadLocalHashCode为键,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的访问入口,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值对中找回对应的本地线程变量。

四、锁优化

为了在线程之间更高效的共享数据,以及解决竞争问题,从而提高程序的执行效率,创建了各种锁优化技术:适应性自旋(Adaptive Spinning)、锁消除(Lock Elimination)、 锁粗化(Lock Coarsening)、轻量级锁(Lightweight Locking)、偏向锁(Biased Locking)等,这些技术都是为了在线程之间更高效地共享数据,以解决竞争问题,从而提高程序的执行效率。

1. 自旋锁与自适应自旋

互斥同步对性能最大的影像是阻塞的实现,线程挂起和恢复的操作都需要转入内核态中完成,这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力。在许多应用中,共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间,为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。可以让后请求锁的线程等待一会儿,但不放弃处理器的执行时间,让线程执行一个忙循环(自旋),这项技术就是所谓的自旋锁。 自旋锁默认的自旋次数值是10次,可以使用参数-XX:PreBlockSpin更改。 jdk1.6 引入了自适应的自旋锁。意味着自旋的时间不再固定,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

2. 锁消除

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。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持。

3. 锁粗化

如果虚拟机探测到有一系列连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁,将会把加锁同步的范围扩展(粗化)到整个操作序列的外部。

4. 轻量级锁

使用对象头的Mark Word中锁标志位代替操作系统互斥量实现的锁。轻量级锁并不是用来代替重量级锁,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。轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS(Compare-and-Swap)操作去消除同步使用的互斥量。

加锁过程

  1. 在代码进入同步块的时候,如果此同步对象没有被锁定(锁标志位为“01”状态),虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间,用于存储锁对象目前的Mark Work的拷贝(即Displaced Mark Work),这时候线程堆栈与对象头的状态如下图所示。
  1. 然后,虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record指针,并将Lock record里的owner指针指向object mark word。
    • 如果这个更新动作成功了,那么这个线程就拥有了该对象的锁,并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”,即表示此对象处于轻量级锁定状态,这时候线程堆栈与对象头的状态下图所示。
    • 如果这个更新操作失败了,虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧,如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁,那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁,轻量级锁就要膨胀为重量级锁,锁标志的状态值变为“10”,Mark Word中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 而当前线程便尝试使用自旋来获取锁,自旋就是为了不让线程阻塞,而采用循环去获取锁的过程。

解锁过程

如果对象的Mark Work仍然指向着线程的锁记录,就通过CAS操作尝试把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来。

  • 如果替换成功,整个同步过程就完成了。
  • 如果替换失败,说明有其他线程尝试过获取该锁(此时锁已膨胀),那就要在释放锁的同时,唤醒被挂起的线程。

注意事项

轻量锁能提升程序同步性能的依据是:对于绝大部分的锁,在整个同步周期内都是不存在竞争的。所以,在没有竞争的情况下,轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销。但如果存在锁竞争,除了互斥量的开销外,还额外发生了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。

5. 偏向锁

引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径,因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令,而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令(由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁,所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的CAS原子指令的性能消耗)。上面说过,轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能,而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。

加锁过程

  1. 当锁对象第一次被线程获取的时候,虚拟机将会把对象头中的标识位设为“01”,即偏向模式。
  2. 然后使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Work之中。如果CAS操作成功,持有偏向锁的线程以后每次进入和退出这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作(例如Locking、Unlocking及对Mark Work的Update等), 只需简单测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程线程的偏向锁。

偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制,所以当其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有字节码正在执行),它会首先暂停拥有偏向锁的线程,判断锁对象是否处于被锁定状态,撤销偏向锁后恢复到未锁定(标志位为“01”)或轻量级锁(标志位为“00”)的状态。

注意事项

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问,那偏向模式就是多余的,可以使用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化。

轻量级锁、偏向锁的状态转化

轻量级锁、偏向锁的状态转化及Mark Work的关系图

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