面向对象与面向过程

  • 程序员把数据和过程分别作为独立的部分来考虑，数据代表问题空间中的客体，程序代码则用于处理这些数据，这种思维方式直接站在计算机的角度去抽象问题和解决问题，称为面向过程的编程思想

  • 面向对象的编程思想是站在现实世界的角度去抽象和解决问题，它把数据和行为都看做是对象的一部分

#线程安全概述
##定义
当多个线程访问一个对象时，如果不考虑这些线程在执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，那么这个对象是线程安全的。
##java中的线程安全
我们这里讨论的线程安全，就限定于多个线程之间存在共享数据访问这个前提，因为如果一段代码根本不会与其他线程共享数据，那么从线程安全的角度来看，程序是串行执行还是多线程执行对它来说是完全没有区别的。

我们可以将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。
###不可变
在Java语言中不可变的对象一定是线程安全的，无论是对象的方法实现还是方的调用者，都不需要再采用任何的线程安全保障措施。如final关键字，只要一个不可变对象被正确构建出来（没有发生this引用逃逸，即对象还未构造完成this引用就被发布出去了），那其外部的可见状态永远不会发生改变，永远不会看到它在多个线程之中处于不一致的状态。

例如java.lang.String类的对象，它是一个典型的不可变对象，我们调用它substring（）、replace（）和concat（）这些方法都不会影响它原来的值，只会返回一个新构造的字符串对象

String，枚举类型，以及java.lang.Number的部分子类，如Long和Double等数值包装类型，BigInteger和BigDecimal等大数据类型基本都是不可变的API；但同为Number的子类型的原子类AtomicInteger和AtomicLong则并非不可变的
###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措施。

如java.util.Vector是一个线程安全的容器，它的get,add,size等方法都是被synchronized修饰的，效率很低 ，但确实是安全的。但并不意味着调用时永远不需要同步手段，如多线程中一个线程在错误的时间里对元素进行了删除，就会导致边界异常。此时对删除需要进入同步块处理。
###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

要保证对这个对象单独的操作是线程安全的，调用时不需要做额外的保障措施，但对一些特定的顺序的连续调用，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。

Java中大部分都属于这类，如Vector,HashTable，Collections的synchronizedCollection()方法包装的集合等。
###线程兼容
线程兼容是指对象本身并不是线程安全的，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，我们平常说一个类不是线程安全的，绝大多数时候指的是这一种情况。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。
###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。由于Java语言天生就具备多线程特性，线程对立这种排斥多线程的代码是很少出现的，而且通常都是有害的，应当尽量避免。

个线程对立的例子是Thread类的suspend（）和resume（）方法，如果有两个线程同时持有一个线程对象，一个尝试去中断线程，另一个尝试去恢复线程，如果并发进行的话，无论调用时是否进行了同步，目标线程都是存在死锁风险的，如suspend（）中断的线程就是即将要执行resume（）的那个线程，那就肯定要产生死锁了。也正是由于这个原因，suspend（）和resume（）方法已经被JDK声明废弃（@Deprecated）了。常见的线程对立的操作还有System.setIn（）、Sytem.setOut（）和System.runFinalizersOnExit（）等。
#线程安全的实现方法

  • 实现线程安全与代码编写有很大的关系
  • 虚拟机提供的同步和锁机制也起到了非常重要的作用

##互斥同步
###定义
互斥同步是常见的一种并发正确性保障手段。同步是指在多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，临界区、互斥量和信号量都是主要的互斥实现方式。互斥是因，同步是果；互斥是方法，同步是目的。
###实现手段
####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

优点

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。 ps：可重入：一个线程获取到锁之后可以无限次地进入该临界区 (通过调用lock.lock())。当然同样也需要等同次数的unlock操作
  • 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

缺点

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。所以synchronized是Java语言中一个重量级的操作

优化

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。
####重入锁（ReentrantLock）
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

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

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。

可实现公平锁

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。

锁可以绑定多个条件

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。
###TML
##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。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。
###定义
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）

乐观并发策略需要“硬件指令集的发展”才能进行。因为需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，只能靠硬件来保证，硬件保证一个从语义上看来需要多次操作的行为只通过一条处理器指令就能完成，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
####定义
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，否则它就不执行更新，但是无论是否更新了V的值，都会返回V的旧值，上述的处理过程是一个原子操作。
####ABA问题
这种操作无法涵盖互斥同步的所有使用场景，漏洞在于：如果一个V初次读取的时候是A，且在准备赋值的时候还是A，我们能说它的值没有被其他线程改变过么？如果在这期间曾改为B，又改回A，那CAS就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞就是CAS操作的ABA问题。

优化方案

J.U.C包提供一个带有标记的原子引用类AtomicStanmpedReference，可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。但大部分情况下，ABA问题都不会影响程序的并发性，需要解决的话，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。
###TML
##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。下面是两种无同步方案。

###可重入代码（Reentrant Code）
####定义
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。
####基本特性
可重入代码有一些共同的特征

  • 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。

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。
#锁优化
高效并发是从JDK 1.5到JDK 1.6的一个重要改进，HotSpot虚拟机开发团队在这个版本上花费了大量的精力去实现各种锁优化技术，如适应性自旋（Adaptive Spinning）、锁消除（Lock Elimination）、锁粗化（Lock Coarsening）、轻量级锁（Lightweight Locking）和偏向锁（Biased Locking）
##自旋锁与自适应自旋
如果物理机器有一个以上的处理器，能让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一下”，但不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待，我们只需让线程执行一个忙循环（自旋），这项技术就是所谓的自旋锁。
###优点
自旋等待本身可以避免线程切换的开销
###缺点
自旋等待不能代替阻塞，且先不说对处理器数量的要求，自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销，但它是要占用处理器时间的
###应用场景
如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会非常好，反之，如果锁被占用的时间很长，那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源，而不会做任何有用的工作，反而会带来性能上的浪费。

如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁，就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是10次
###优化—自适应自旋
在JDK 1.6中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了，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。

  • 如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长时间，比如100个循环。

  • 如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源
    ##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（第11章已经讲解过逃逸分析技术），如果判断在一段代码中，堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到，那就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然就无须进行。

每个StringBuffer.append（）方法中都有一个同步块，锁就是sb对象。虚拟机观察变量sb，很快就会发现它的动态作用域被限制在concatString（）方法内部。也就是说，sb的所有引用永远不会“逃逸”到concatString（）方法之外，其他线程无法访问到它，因此，虽然这里有锁，但是可以被安全地消除掉，在即时编译之后，这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行了。
##锁粗化
原则上，我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是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的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。

上述代码中连续的append（）方法就属于这类情况。如果虚拟机探测到有这样一串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展（粗化）到整个操作序列的外部，上述代码中，扩展到第一个append（）操作之前直至最后一个append（）操作之后，这样只需要加锁一次就可以了。
##轻量级锁
定义：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

首先需要强调一点的是，轻量级锁并不是用来代替重量级锁的，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。


###加锁
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MarkWord的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word），这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示

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2bit）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。
###解锁
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。
##偏向锁
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。

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。

###工作原理
**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


###应用场景
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（TradeOff）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总是被多个不同的线程访问，那偏向模式就是多余的