Java核心-併發中的線程同步與鎖

1、線程安全問題的產生

線程安全問題：指的是在多線程編程中，同時操做同一個可變的資源以後，形成的實際結果與預期結果不一致的問題。

好比：A和B同時向C轉帳10萬元。若是轉帳操做不具備原子性，A在向C轉帳時，讀取了C的餘額爲20萬，而後加上轉帳的10萬，計算出此時應該有30萬，但還將來及將30萬寫回C的帳戶，此時B的轉帳請求過來了，B發現C的餘額爲20萬，而後將其加10萬並寫回。而後A的轉帳操做繼續——將30萬寫回C的餘額。這種狀況下C的最終餘額爲30萬，而非預期的40萬。

若是上面的內容您尚未理解，不要緊，咱們來看下面非安全線程的模擬代碼：

public class ThreadSafeSample {
    public int number;
    public void add() {
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            int former = number++;
            int latter = number;
            if (former != latter-1){
                System.out.printf("非相等 former=" +  former + " latter=" + latter);
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ThreadSafeSample threadSafeSample = new ThreadSafeSample();
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadSafeSample.add();
            }
        });
        Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadSafeSample.add();
            }
        });
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadA.join();
        threadB.join();
    }
}
複製代碼

我電腦運行的結果： 非相等 => former=5555 latter=6061

能夠看到，僅僅是兩個線程的低度併發，就很是容易碰到 former 和 latter 不相等的狀況。這是由於，在兩次取值的過程當中，其餘線程可能已經修改了number.

2、線程安全的解決方案

線程安全的解決方案分爲如下幾個維度（參考《碼出高效：Java開發手冊》）：

• 數據單線程可見（單線程操做本身的數據是不存在線程安全問題的，ThreadLocal就是採用這種解決方案）；
• 數據只讀；
• 使用線程安全類（好比StringBuffer就是一個線程安全類，內部是使用synchronized實現的）；
• 同步與鎖機制；

解決線程安全核心思想是：「要麼只讀，要麼加鎖」，解決線程安全的關鍵在於合理的使用Java提供的線程安全包java.util.concurrent簡稱JUC。

3、線程同步與鎖

Java 5 之前，synchronized是僅有的同步手段，Java 5的時候增長了ReentrantLock（再入鎖）它的語義和synchronized基本相同，比synchronized更加靈活，能夠作到更多的細節控制，好比鎖的公平性/非公平性指定。

3.1 synchronized

synchronized 是 Java 內置的同步機制，它提供了互斥的語義和可見性，當一個線程已經獲取當前鎖時，其餘試圖獲取的線程只能等待或者阻塞在那裏。

3.1.1 synchronized 使用

synchronized 能夠用來修飾方法和代碼塊。

3.1.1.1 修飾代碼塊

synchronized (this) {
    int former = number++;
    int latter = number;
    //...
}
複製代碼

3.1.1.2 修飾方法

public synchronized void add() {
    //...
}
複製代碼

3.1.2 synchronized 底層實現原理

synchronized 是由一對 monitorenter/monitorexit 指令實現的，Monitor 對象是同步的基本實現單元。在 Java 6 以前，Monitor的實現徹底是依靠操做系統內部的互斥鎖，由於須要進行用戶態到內核態的切換，因此同步操做是一個無差異的重量級操做，性能也很低。但在Java 6的時候，JVM 對此進行了大刀闊斧地改進，提供了三種不一樣的 Monitor 實現，也就是常說的三種不一樣的鎖：偏向鎖（Biased Locking）、輕量級鎖和重量級鎖，大大改進了其性能。

3.1.2.1 偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖

偏向鎖是爲了解決在沒有多線程的訪問下，儘可能減小鎖帶來的性能開銷。

輕量級鎖是指當鎖是偏向鎖的時候，被另外一個線程所訪問，偏向鎖就會升級爲輕量級鎖，其餘線程會經過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，提升性能。

重量級鎖是指當鎖爲輕量級鎖的時候，另外一個線程雖然是自旋，但自旋不會一直持續下去，當自旋必定次數的時候，尚未獲取到鎖，就會進入阻塞，該鎖膨脹爲重量級鎖。重量級鎖會讓其餘申請的線程進入阻塞，性能下降。

3.1.2.2 鎖膨脹（升級）原理

Java 6 以後優化了 synchronized 實現方式，使用了偏向鎖升級爲輕量級鎖再升級到重量級鎖的方式，減低了鎖帶來的性能消耗，也就是咱們常說的鎖膨脹或者叫鎖升級，那麼它是怎麼實現鎖升級的呢？

鎖膨脹（升級）原理：在鎖對象的對象頭裏面有一個ThreadId字段，在第一次訪問的時候ThreadId爲空，JVM讓其持有偏向鎖，並將ThreadId設置爲其線程id，再次進入的時候會先判斷ThreadId是否尤爲線程id一致，若是一致則能夠直接使用，若是不一致，則升級偏向鎖爲輕量級鎖，經過自旋循環必定次數來獲取鎖，不會堵塞，執行必定次數以後就會升級爲重量級鎖，進入堵塞，整個過程就是鎖膨脹（升級）的過程。

3.1.2.3 自旋鎖

自旋鎖是指嘗試獲取鎖的線程不會當即阻塞，而是採用循環的方式去嘗試獲取鎖，這樣的好處是減小線程上下文切換的消耗，缺點是循環會消耗CPU。

3.1.2.4 樂觀鎖/悲觀鎖

悲觀鎖和樂觀鎖並非某個具體的「鎖」而是一種是併發編程的基本概念。

悲觀鎖認爲對於同一個數據的併發操做，必定是會發生修改的，哪怕沒有修改，也會認爲修改。所以對於同一個數據的併發操做，悲觀鎖採起加鎖的形式。悲觀的認爲，不加鎖的併發操做必定會出問題。

樂觀鎖則與 Java 併發包中的 AtomicFieldUpdater 相似，也是利用 CAS 機制，並不會對數據加鎖，而是經過對比數據的時間戳或者版本號，來實現樂觀鎖須要的版本判斷。

3.1.2.5 公平鎖/非公平鎖

公平鎖是指多個線程按照申請鎖的順序來獲取鎖。

非公平鎖是指多個線程獲取鎖的順序並非按照申請鎖的順序，有可能後申請的線程比先申請的線程優先獲取鎖。

若是使用 synchronized 使用的是非公平鎖，是不可設置的，這也是主流操做系統線程調度的選擇。通用場景中，公平性未必有想象中的那麼重要，Java 默認的調度策略不多會致使 「飢餓」發生。非公平鎖的吞吐量大於公平鎖。

非公平鎖吞吐量大於公平鎖的緣由：

好比A佔用鎖的時候，B請求獲取鎖，發現被A佔用以後，堵塞等待被喚醒，這個時候C同時來獲取A佔用的鎖，若是是公平鎖C後來者發現不可用以後必定排在B以後等待被喚醒，而非公平鎖則可讓C先用，在B被喚醒以前C已經使用完成，從而節省了C等待和喚醒之間的性能消耗，這就是非公平鎖比公平鎖吞吐量大的緣由。

3.2 ReentrantLock

ReentrantLock只能修飾代碼塊，使用ReentrantLock必須手動unlock釋放鎖，否則鎖永遠會被佔用。

3.2.1 ReentrantLock 使用

ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock(true); // 設置爲true爲公平鎖，默認是非公平鎖
reentrantLock.lock();
try {

}finally {
    reentrantLock.unlock();
}
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