13.1 线程安全
13.1.1 Java语言中的线程安全
Java语言中各种操作共享的数据分为5类：
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不可变：不可变的对象一定是线程安全的，如果共享数据是一个基本数据类型，只要在定义的时候使用final关键字，就可保证它不可变，如果共享的是一个对象，就要保证对象的行为不会对其状态产生任何影响才行，比如String类。
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绝对线程安全：不管运行时环境如何，调用者都不需要任何额外的同步操作。
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相对线程安全：就是通常意义上的线程安全，例如：Vector、HashTable等。
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线程兼容：指对象本身并不是线程安全，但是可以通过在调用端正确的使用同步手段来保证对象在并发环境中可以安全的使用、
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线程对立：指无论调用是否采用了同步措施，都无法在多线程环境下并发使用代码。例如Thread类的suspend()和resume()方法。
13.1.2 线程安全的实现方式
1. 互斥同步
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时刻只能被一个线程使用。而互斥是实现同步的一种手段，比如 **临界区(Critical Section)、互斥量(Mutex)、信号量(Semaphore)等
Java中基本互斥手段：
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synchronized关键字：经过编译，会在同步块前后分别形成monitorenter和monitorexit两个字节码，在执行时首先要尝试获取对象的锁，如果对象是无所状态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，monitorexit执行时，锁的计数器减1，当计数器为0时，时无所状态。
1）synchronized同步块对同一条线程来说是可以重入得。
2）同步块在已进入的线程执行完成之前，会阻塞后面其他线程的进入。 -
ReentrantLock（重入锁）：除基本互斥外，还有3个高级特性
1）等待可中断
2）实现公平锁
3）锁可绑定多个条件：可绑定多个Condition对象。
2. 非阻塞同步
指基于冲突检测的的乐观并发策略，先进行操作没如果没有其他线程争用共享数据，那操作成功，如果产生冲突，在采取补救措施。
在JDK1.5之后，Java程序中才可使用CAS操作，该操作是由sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapXXX()等方法包装提供，jishi编译出来的结构就是一条平台相关的处理器CAS指令。并且只能通过反射和其他相关类使用。
13.2 锁优化
13.2.1 自旋锁与自适应锁
互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核状态完成，这些给系统的并发性能带来很大的压力。
如果一个以上的处理器，能让两个或者两个以上的线程同时执行，我们就可以让后面的请求锁的那个线程 稍等一下，但不放弃请求时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁，为了让线程等待，我们只需要让线程忙循环，这项技术就是自旋锁。
带来一个问题？
如果持有锁的线程占用时间短，那么自选等待的效果就非常好，如果占用时间长，自旋的线程只会白白浪费处理器资源，所以JDK1.4.2是默认10次. JDK1.6引入了 自适应自旋锁 ，意味着自旋的时间不再固定，由前一次在同一个锁上的拥有者的状态决定。
13.2.2 锁消除
锁消除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共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判断依据来源于逃逸分析的数据支持。
public String concatString(String s1, String s2, String s3){
return s1 + s2 + s3;
}
13.2.3 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，那即使没有线程竞争，频繁的地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。
public String concatString(String s1, String s2, String s3){
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(s1);
sb.append(s2);
sb.append(s3);
return sb.toString();
}
上述情况就属于这类情况，如果虚拟机探测到有这样零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁同步的范围扩大，就是append()操作之前，直到最后一个append()操作之后。
13.2.4 轻量级锁
轻量级锁是JDK1.6之中加入的新型锁机制，是相对于互斥锁而言，它并不是取代互斥锁。
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），虚拟机首先将当前线程的栈中建立锁记录空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，如下图：
轻量级锁CAS操作之前堆栈与对象的状态
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的指针。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（Mark Word的最后两个Bits）将转变为“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如图13-4所示。
轻量级锁CAS操作之后堆栈与对象的状态
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，否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁，那轻量级锁就不再有效，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。
上面描述的是轻量级锁的加锁过程，它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的，如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录，那就用CAS操作把对象当前的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，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。
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。
13.2.5 偏向锁
偏向锁也是JDK 1.6中引入的一项锁优化，它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用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，连CAS操作都不做了。 偏向锁的“偏”，就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”。它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
如果读者读懂了前面轻量级锁中关于对象头Mark Word与线程之间的操作过程，那偏向锁的原理理解起来就会很简单。假设当前虚拟机启用了偏向锁（启用参数-XX:+UseBiasedLocking，这是JDK 1.6的默认值），那么，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志位设为“01”，即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中，如果CAS操作成功，持有偏向锁的线程以后每次进入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 Word的Update等）。 当有另外一个线程去尝试获取这个锁时，偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态，撤销偏向（Revoke Bias）后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁定（标志位为“00”）的状态，后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行。偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系如图13-5所示。
图13-5 偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象Mark Word的关系
偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡（Trade Off）性质的优化，也就是说它并不一定总是对程序运行有利，如果程序中大多数的锁都总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的。在具体问题具体分析的前提下，有时候使用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。
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