1 线程安全

当多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，或者在调用方进行任何其他的协调操作，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。
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。

2 线性安全的实现方式

2.1 互斥同步（阻塞同步）

互斥同步（Mutual Exclusion＆Synchronization）是常见的一种并发正确性保障手段。同步 是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一个（或者是一些， 使用信号量的时候）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）和信号量（Semaphore）都是主要的互斥实现方式。因此，在这 4个字里面，互斥是因，同步是果；互斥是方法，同步是目的。
在Java中，最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字，synchronized关键字经过编译 之后，会在同步块的前后分别形成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明确指定了对象参数，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。
根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要尝试获取对象的锁。如果这 个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1，相应的，在 执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器为0时，锁就被释放。如果获取对象锁失 败，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。
在虚拟机规范对monitorenter和monitorexit的行为描述中，有两点是需要特别注意的。首 先，synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题。其 次，同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。第12章讲过，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，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。 对于代码简单的同步块（如被synchronized修饰的getter（）或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。所以synchronized是Java语言中一个重量级 （Heavyweight）的操作，有经验的程序员都会在确实必要的情况下才使用这种操作。而虚拟 机本身也会进行一些优化，譬如在通知操作系统阻塞线程之前加入一段自旋等待过程，避免 频繁地切入到核心态之中。
除了synchronized之外，我们还可以使用java.util.concurrent（下文称J.U.C）包中的重入锁 （ReentrantLock）来实现同步，在基本用法上，ReentrantLock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。

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。

2.2 非阻塞同步

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，因此这种同步也称 为阻塞同步（Blocking Synchronization）。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，总是认为只要不去做正确的同步措施（例如加锁），那就肯定会出现问题，无论 共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁（这里讨论的是概念模型，实际上虚拟机会 优化掉很大一部分不必要的加锁）、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞 的线程需要唤醒等操作。随着硬件指令集的发展，我们有了另外一个选择：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， 因此这种同步操作称为非阻塞同步（Non-Blocking Synchronization）。
尽管CAS看起来很美，但显然这种操作无法涵盖互斥同步的所有使用场景，并且CAS从 语义上来说并不是完美的，存在这样的一个逻辑漏洞：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。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。J.U.C包为了解决这个问题， 提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本 来保证CAS的正确性。不过目前来说这个类比较“鸡肋”，大部分情况下ABA问题不会影响程 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。

2.3 无同步方案

要保证线程安全，并不是一定就要进行同步，两者没有因果关系。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，笔者简单地介绍其中的两类。
可重入代码（Reentrant Code）：这种代码也叫做纯代码（Pure Code），可以在代码执 行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码（包括递归调用它本身），而在控制权返回 后，原来的程序不会出现任何错误。相对线程安全来说，可重入性是更基本的特性，它可以 保证线程安全，即所有的可重入的代码都是线程安全的，但是并非所有的线程安全的代码都 是可重入的。
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。我们可以通过一个简单的原则来判断 代码是否具备可重入性：如果一个方法，它的返回结果是可以预测的，只要输入了相同的数 据，就都能返回相同的结果，那它就满足可重入性的要求，当然也就是线程安全的。
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 可以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。 符合这种特点的应用并不少见，大部分使用消费队列的架构模式（如“生产者-消费 者”模式）都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完，其中最重要的一个应用实例就 是经典Web交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”（Thread-per-Request）的处理方 式，这种处理方式的广泛应用使得很多Web服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程 安全问题。 Java语言中，如果一个变量要被多线程访问，可以使用volatile关键字声明它为“易变 的”；如果一个变量要被某个线程独享，Java中就没有类似C++中__declspec（thread）[3]这样 的关键字，不过还是可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。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。

3 锁优化

3.1 自旋锁与自适应自旋

3.2 锁优化

3.3 锁粗化

3.4 轻量级锁(!)

轻量级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”，这是一个经验数据。如果没有竞争，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。