1.背景

并發(fā)程序開發(fā)不可避免地要涉及多線程、多線程協(xié)作、數(shù)據(jù)共享和線程安全等問題。在多線程并發(fā)場景下，由于采用數(shù)據(jù)共享的線程通信模型可能導(dǎo)致多個線程之間并發(fā)時相互干擾，影響到程序的正常邏輯、無法保證正常的結(jié)果。為了保證程序在并發(fā)環(huán)境的正確性，有必要對多線程并發(fā)進(jìn)行防范，因此就有了并發(fā)控制機(jī)制。

Java并發(fā)控制機(jī)制

并發(fā)防范機(jī)制等價于并發(fā)控制機(jī)制，同步（有序）機(jī)制可以說是并發(fā)防范的一個子集。Java并發(fā)提供了多個維度的并發(fā)防范機(jī)制。我們可劃分JVM、JDK 2個層面：

JVM層面主要指關(guān)鍵字同步原語（volatile、synchronized、final）。通過字節(jié)碼指令禁止指令重排序來保證順序一致性。

JDK層面是JUC并發(fā)包，比如基于隊列同步器實現(xiàn)的重入鎖RetrantLock、讀寫鎖ReentrantReadWriteLock，此外還有Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier等并發(fā)工具（本質(zhì)還是鎖）、原子操作類（比如AtomicInteger）、ThreadLocal線程局部變量（無鎖防并發(fā)方案）、線程安全的并發(fā)容器（ConcurrentHashMap、BlockingQueue等）。

關(guān)于線程安全

“線程安全”網(wǎng)上大部分的解釋是：如果一個對象可以安全地被多個線程同時使用，那它就是線程安全的。并不能說它不對，但是不夠精確，幾乎獲取不到什么有用信息。

《Java Concurrency In Practice》的作者Brian Goetz為“線程安全”做出了一個比較恰當(dāng)?shù)亩x：當(dāng)多個線程同時訪問一個對象時，如果不用考慮這些線程在運行時環(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)用這個對象的行為都可以獲得正確的結(jié)果，那就稱這個對象是線程安全的。”

這個定義就很嚴(yán)謹(jǐn)而且有可操作性，它要求線程安全的代碼都必須具備一個共同特征：代碼本身封裝了所有必要的正確性保障手段（如互斥同步等），令調(diào)用者無須關(guān)心多線程下的調(diào)用問題，更無須自己實現(xiàn)任何措施來保證多線程環(huán)境下的正確調(diào)用。這點聽起來簡單，但其實并不容易做到。

2.JVM同步機(jī)制

volatile

volatile關(guān)鍵字的并發(fā)安全性承諾（即聲明為volatile的變量可以做到）：

線程對volatile變量的修改，可以及時反應(yīng)到其他線程（對volatile變量的寫入可以及時作用到主內(nèi)存，其他線程讀取volatile變量也是直接從主內(nèi)存讀取）。

volatile變量的讀寫有序性（JVM通過字節(jié)碼指令enterexit禁止指令重排序來保證有序性），即兩線程并發(fā)使volatile變量的寫入總是先行發(fā)生于對volatile變量的讀取。

以上描述的是volatile變量在多個線程間的可見性和有序性（禁止指令重排序），說到底volatile變量需要保證volatile寫/讀順序，volatile重排序規(guī)則表如下(JSR-133)：

• 首先，若第二個操作是volatile寫，則不允許指令重排序。
• 其次，若第一個操作是volatile讀，同樣不允許指令重排序。
• 最后，當(dāng)?shù)谝粋€操作是volatile寫，第二個操作volatile讀，則不允許指令重排序。

那么volatile具體是如何做到的？

為了實現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義，JVM采用基于保守策略的JMM內(nèi)存屏障插入策略。

• 在每個volatile寫操作前面插入StoreStore屏障、在每個volatile寫的后面插入StoreLoad屏障。
• 在每個volatile讀操作后面插入LoadLoad屏障、在每個volatile讀的后面插入LoadStore屏障。

基于保守策略可保證在任意平臺、任意程序都得到正確的volatile語義。

通過加入屏障可以保證volatile寫-讀與鎖的釋放-獲取具有相同的內(nèi)存效果：鎖的釋放總是先行發(fā)生于獲取鎖；同理，volatile寫總是先行發(fā)生于volatile讀。

synchronized

synchronized是內(nèi)部鎖（也叫重量級鎖，實際上1.6后它做過優(yōu)化，沒那么重量級了），是Java最重要的同步機(jī)制之一。

雖然synchronized可以保證對象和代碼段的線程安全，但僅通過synchonized還不足以控制擁有復(fù)雜邏輯的線程交互，為了實現(xiàn)多線程交互，還需要和object的wait()和notify()兩個方法聯(lián)合使用。

synchronized(obj) {while(<?>) {obj.wait()// 收到通知后繼續(xù)執(zhí)行} }

synchronzied配合wait()、notify()是并發(fā)編程的基本技能之一。

synchronized關(guān)鍵字的并發(fā)安全性承諾：

臨界區(qū)互斥執(zhí)行。

鎖的釋放先行發(fā)生于鎖的獲取的內(nèi)存語義。

synchronized是如何做到互斥和保證先行發(fā)生關(guān)系的

Java中每個對象都可以作為鎖（對象的鎖）。普通同步方法，鎖是當(dāng)前實例對象；靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類的Class對象；同步方法塊，鎖是synchronized括號里配置的對象。這些實例對象、Class對象、配置的對象在鎖范疇內(nèi)叫Monitor對象。 JVM基于進(jìn)入和退出Monitor對象來實現(xiàn)臨界區(qū)互斥執(zhí)行和鎖的釋放先行發(fā)生于鎖的獲取的內(nèi)存語義。

• 代碼塊同步使用monitorenter和monitorexit指令實現(xiàn)。
• 同步方法是通過檢查方法是否標(biāo)志ACC_SYNCHRONIZED實現(xiàn)。

鎖優(yōu)化

方案1：自旋

首先，分析一下synchronized的性能瓶頸。互斥同步對性能影響最大的是阻塞的實現(xiàn)。線程阻塞和用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)換帶來的性能開銷。虛擬機(jī)團(tuán)隊注意到在大部分應(yīng)用，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)只會持續(xù)很短一段時間，如果在這個很短的共享數(shù)據(jù)鎖定狀態(tài)去掛起和恢復(fù)線程是劃不來的，對于多處理器系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)共享資源被鎖定后，能否讓這個線程稍等一會兒，但不放棄處理器執(zhí)行時間呢？答案是肯定的，方案可行，前提是共享資源很快會被釋放。我們只需要讓線程執(zhí)行一個忙等待（自旋），這就是自旋鎖的由來。我們可以通過-XX:+UseSpinning開啟自旋鎖。

其次，自旋鎖不能替代阻塞，自旋鎖對處理器有要求（即多處理器），雖然避免了阻塞但會占用CPU執(zhí)行時間，如果鎖定很短效果會很好，但如果鎖定很長呢？那是否就白白浪費的處理器執(zhí)行時間了。因此自旋的等待時間必須有一個限度，如果自旋超過了限定次數(shù)仍然沒有成功獲得鎖，就應(yīng)該使用傳統(tǒng)方式掛起線程。在虛擬機(jī)默認(rèn)設(shè)置中自旋次數(shù)是10次，可通過參數(shù)-XX:PreBlockSpin來更改。

最后，不過無論是默認(rèn)值還是用戶指定的自旋次數(shù)，對整個Java虛擬機(jī)中所有的鎖來說都是相同的。在 JDK 6中對自旋鎖的優(yōu)化，引入了自適應(yīng)的自旋。自適應(yīng)意味著自旋的時間不再是固定的了，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定的。如果在同一個鎖對象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，并且持有鎖的線程正在運行中，那么虛擬機(jī)就會認(rèn)為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)相對更長的時間，比如持續(xù)100次忙循環(huán)。另一方面，如果對于某個鎖，自旋很少成功獲得過鎖，那在以后要獲取這個鎖時將有可能直接省略掉自旋過程，以避免浪費處理器資源。有了自適應(yīng)自旋，隨著程序運行時間的增長及性能監(jiān)控信息的不斷完善，虛擬機(jī)對程序鎖的狀況預(yù)測就會越來越精準(zhǔn)，虛擬機(jī)就會變得越來越“聰明”了。

a.Java對象頭和MarkWord設(shè)計

首先，synchronized用的鎖是存在Java對象頭里的，對象如果是數(shù)組類型，則JVM用3個字寬（一個字寬32bit）存儲對象頭；如果對象是普通類型，則使用2字寬。Java對象頭組成如下所示：

下面，我們看下Mark Word的字段組成情況。

首先，在無鎖狀態(tài)下，32bit Mark Word劃分如下：

在運行期，Mark Word存儲的數(shù)據(jù)會隨著標(biāo)志位的變化而變化，如下所示：

以上是32位虛擬機(jī)的Mark Word字段分配。

注：無鎖狀態(tài)的Mark Word當(dāng)有線程獲取Monitor對象時，會拷貝到棧幀的鎖記錄中。

b.鎖的升級過程（鎖膨脹）

從以上分析我們知道鎖有4種狀態(tài)：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)、重量級鎖狀態(tài)。這幾種狀態(tài)隨著競爭情況而逐漸升級。鎖只能升級而不能降級，只所以這樣做是為了提高獲取鎖和釋放鎖的效率。

偏向鎖

Hotspot作者發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且只是由同一線程獲取，為了讓線程獲取鎖的代價更低而引入了偏向鎖。

當(dāng)一個線程訪問同步塊時，首先會判斷鎖的狀態(tài)，如果是01，且允許偏向，則進(jìn)入第2步，否則進(jìn)入第4步。

獲取鎖，在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時，不需要進(jìn)行CAS操作來加鎖和解鎖，只需要簡單測試一下對象頭Mark Word是否存儲了指向當(dāng)前線程的偏向鎖。如果偏向鎖沒有設(shè)置，且此時鎖標(biāo)志位為01，則嘗試CAS設(shè)置偏向鎖。

偏向鎖的撤銷使用了一種等待競爭出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，當(dāng)有其它線程競爭鎖時，持有偏向鎖的線程需要等待全局安全點（沒有正在執(zhí)行的字節(jié)碼這個點），它會暫停擁有偏向鎖的線程，判斷線程的活躍狀態(tài)，如果不活躍，則設(shè)置為無鎖狀態(tài)，否則升級。

輕量級鎖

輕量級對性能的提升的前提條件是同步塊可以很快執(zhí)行完成，且系統(tǒng)是多核，這樣只需要忙等輪詢很小一段時間就可以獲取鎖，避免線程阻塞導(dǎo)致的開銷。

在代碼即將進(jìn)入同步塊的時候，如果此同步對象沒有被鎖定（鎖標(biāo)志位為“01”狀態(tài)），虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝（官方為這份拷貝加了一個Displaced前綴，即Displaced Mark Word）。

虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試把對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針。如果這個更新動作成功了，即代表該線程擁有了這個對象的鎖，并且對象Mark Word的鎖標(biāo)志位（Mark Word的最后兩個比特）將轉(zhuǎn)變?yōu)椤?0”，表示此對象處于輕量級鎖定狀態(tài)。

如果這個更新操作失敗了，那就意味著至少存在一條線程與當(dāng)前線程競爭獲取該對象的鎖。虛擬機(jī)首先會檢查對象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是，說明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個對象的鎖，那直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行就可以了，否則就說明這個鎖對象已經(jīng)被其他線程搶占了，空轉(zhuǎn)輪詢一段時間鎖要膨脹為重量級鎖，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)椤?0”，跳轉(zhuǎn)到7。

重量級鎖

此時Mark Word中存儲的就是指向重量級鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也必須進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

鎖膨脹到重量級鎖后，可能導(dǎo)致線程阻塞，而線程阻塞時需要通過操作系統(tǒng)指令完成的，這種系統(tǒng)調(diào)用會導(dǎo)致程序用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)的切換，消耗系統(tǒng)資源。

偏向鎖、輕量級鎖的狀態(tài)轉(zhuǎn)化及對象Mark Word的關(guān)系如下所示。

鎖的整體膨脹過程如下圖所示：

偏向鎖、輕量級、重量級鎖優(yōu)缺點分析

final

final的安全承諾：

final對象只在初始化構(gòu)建時進(jìn)行賦值，實例化成功后不允許改變其值，從根本上避免了并發(fā)寫入帶來的線程安全問題。

讀一個對象的final域之前，一定會先這個對象的引用，如果引入對象不為null，則final域一定被初始化了，

怎么做到的：

JMM禁止編譯器把final域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外，實現(xiàn)方法是在final域?qū)懼?#xff0c;構(gòu)造函數(shù)return前插入一個StoreStore屏障。

讀對象final域之前插入LoadLoad屏障，保證讀對象final域之前，一定會先讀對象本身。

3.JUC并發(fā)防范機(jī)制

ReentrantLock

RetrantLock提供了比synchronized更強(qiáng)大的功能，更好的靈活性。它可以響應(yīng)中斷、支持超時時間設(shè)置、支持公平和非公平策略。

lock.tryLock(5, TimeUtil.SECONDS); lock.lockInterruptibly();

ReadWriteLock

讀寫鎖可以有效減少讀寫并發(fā)時的鎖競爭，進(jìn)而減少線程阻塞提高響應(yīng)時間。

Condition

Condition用于協(xié)調(diào)多線程的復(fù)雜協(xié)作，常與Lock配合使用，通過lock.newCondition()可以生成與Lock綁定的Condition實例。

Semaphore

信號量為多線程協(xié)作提供了更加強(qiáng)大的控制方法。信號量是對鎖的擴(kuò)展，無論是內(nèi)部鎖synchronized還是重入鎖ReentrantLock，一次僅允許一個線程訪問資源，而信號量則可以指定多個線程同時訪問資源。

構(gòu)造方法如下：

public Semaphore(int permits) {} public Semaphore(int permits, boolean fair) {}

主要方法：

public void acquire() throws InterruptedException {} public void acquireUninterruptibly() {} public boolean tryAcquire() {} public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUtil unit) throews InterruptedException {} public void release() {}

CountDownLatch

CountDownLatch允許一個或多個線程等待其他線程完成操作。一個線程調(diào)用countDown方法happen-before另外一個線程調(diào)用await方法。API如下

CountDownLatch latch = new CountDownLath(2); latch.countDown(); latch.await();

CyclicBarrier

循環(huán)屏障可以做的事是讓一組線程到達(dá)一個屏障（也叫同步點）時被阻塞，直到最后一個現(xiàn)線程到達(dá)屏障才會打開。CyclicBarrier可用于多線程計算數(shù)據(jù)，最后合并計算結(jié)果的場景。CyclicBarrier API如下：

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(4, this); barrier.await();

ThreadLocal

ThreadLocal提供的并發(fā)防范機(jī)制有別于以上在數(shù)據(jù)共享常見下通過加鎖來達(dá)到并發(fā)控制，防范線程非安全情況出現(xiàn)（即保證線程安全）。ThreadLocal為每個線程提供變量的獨立副本，從而從根本上杜絕了數(shù)據(jù)共享，線程之間根本就不會相互干擾，也就不會有線程安全問題。

4.線程安全集合

ConcurrentHashMap是線程安全且高效的HashMap。

BlockingQueue常用語生產(chǎn)者消費者場景、是線程安全的Queue。

線程安全集合并不在本次討論范圍。

總結(jié)

本文較全面的討論了Java并發(fā)控制機(jī)制，在JVM層面通過volatile保證了內(nèi)存的可見性和volatile寫/讀的先行發(fā)生關(guān)系。通過synchronized保證了多線程并發(fā)時對臨界區(qū)的互斥訪問以及鎖的釋放先行發(fā)生于鎖的獲取內(nèi)存語義，為了提供并發(fā)性能，本文重點分析了內(nèi)部鎖的膨脹過程。通過final關(guān)鍵字保證了構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用先行發(fā)生于final域的讀取并保證了final域的不可變性。除了JVM層面通過JMM定義的先行發(fā)生順序外，JUC也提供了并發(fā)防范工具，包括：RetrantLock、ReentrantReadWriteLock、Condition、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier以及ThreadLocal。

總結(jié)

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