锁的优化措施

锁的状态变化分为两种，锁的消除、锁的粗化、内存级别的锁升级以及分段锁的实现。

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，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。

public String concatString(String s1,String s2){
        StringBuffer sb=new StringBuffer();
        sb.append(s1);
        sb.append(s2);
        return sb.toString();
    }

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。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

代码中concatString方法中的局部对象sb，就只在该方法内的作用域有效，不同线程同时调用concatString方法时，都会创建不同的sb对象，因此此时的append操作若是使用同步操作，就是白白浪费的系统资源因此，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。

for(int i=0;i<size;i++){
    synchronized(lock){
    }

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

synchronized(lock){
    for(int i=0;i<size;i++){
    }
}

上述代码中，扩展到for循环之外加锁，这样只需要加锁一次就可以了。

锁升级

因为Synchronized太重了，所以在虚拟机层面上进行了优化，偏向锁/轻量级锁/重量级锁这三种锁是指锁的状态，Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。

• 偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。
• 轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能。
• 重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能降低。

其实在BlogJava并发机制的底层实现详细介绍过，这里不再赘述，这里给出简单的状态图：

分段锁

分段锁分段锁其实是一种锁的设计，并不是具体的一种锁，对于ConcurrentHashMap而言，其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想

• ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment，它即类似于HashMap（JDK7与JDK8中HashMap的实现）的结构，即内部拥有一个Entry数组，数组中的每个元素又是一个链表；同时又是一个ReentrantLock（Segment继承了ReentrantLock)。
• 当需要put元素的时候，并不是对整个hashmap进行加锁，而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中，然后对这个分段进行加锁，所以当多线程put的时候，只要不是放在一个分段中，就实现了真正的并行的插入。
• 在统计size的时候，可就是获取hashmap全局信息的时候，就需要获取所有的分段锁才能统计。

分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

无同步方案

无同步方案包含两个内容，可重入的代码块和线程本地存储方案Thread Local Storage

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

• 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）

ThreadLocal提供了线程的局部变量，每个线程都可以通过set()和get()来对这个局部变量进行操作，但不会和其他线程的局部变量进行冲突，实现了线程的数据隔离。简要言之：往ThreadLocal中填充的变量属于当前线程，该变量对其他线程而言是隔离的，举个例子

public class MyThreadLocal {
    // 采用匿名内部类的方式来重写initialValue方法
    private static final ThreadLocal<Object> threadLocal = new ThreadLocal<Object>() {
        /**
         * ThreadLocal没有被当前线程赋值时或当前线程刚调用remove方法后调用get方法，返回此方法值
         */
        @Override
        protected Object initialValue() {
            System.out.println("调用get方法时，当前线程共享变量没有设置，调用initialValue获取默认值！");
            return null;
        }
    };
    // 操纵int类型的任务线程
    public static class MyIntegerTask implements Runnable {
        private String name;
        MyIntegerTask(String name) {
            this.name = name;
        }
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                // ThreadLocal.get方法获取线程变量
                if (null == MyThreadLocal.threadLocal.get()) {
                    // ThreadLocal.et方法设置线程变量
                    MyThreadLocal.threadLocal.set(0);
                    System.out.println("线程" + name + ": 0");
                } else {
                    int num = (Integer) MyThreadLocal.threadLocal.get();
                    MyThreadLocal.threadLocal.set(num + 1);
                    System.out.println("线程" + name + ": " + MyThreadLocal.threadLocal.get());
                    if (i == 3) {
                        MyThreadLocal.threadLocal.remove();
                    }
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    // 操纵string类型的任务线程
    public static class MyStringTask implements Runnable {
        private String name;
        MyStringTask(String name) {
            this.name = name;
        }
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                if (null == MyThreadLocal.threadLocal.get()) {
                    MyThreadLocal.threadLocal.set("a");
                    System.out.println("线程" + name + ": a");
                } else {
                    String str = (String) MyThreadLocal.threadLocal.get();
                    MyThreadLocal.threadLocal.set(str + "a");
                    System.out.println("线程" + name + ": " + MyThreadLocal.threadLocal.get());
                }
                try {
                    Thread.sleep(800);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new MyIntegerTask("IntegerTask1")).start();
        new Thread(new MyStringTask("StringTask1")).start();
    }
}

运行结果为：

调用get方法时，当前线程共享变量没有设置，调用initialValue获取默认值！
线程IntegerTask1: 0
调用get方法时，当前线程共享变量没有设置，调用initialValue获取默认值！
线程StringTask1: a
线程StringTask1: aa
线程IntegerTask1: 1
线程StringTask1: aaa
线程IntegerTask1: 2
线程StringTask1: aaaa
线程IntegerTask1: 3
线程StringTask1: aaaaa
调用get方法时，当前线程共享变量没有设置，调用initialValue获取默认值！
线程IntegerTask1: 0

对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了以时间换空间的方式，而ThreadLocal采用了以空间换时间的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响

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，
• ThreadLocalMap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。

总结

线程安全的实现方式共有三种，一种是互斥阻塞同步，一种是非阻塞同步，还有一种是无同步方案，整篇Blog详细讨论了这三种方式以及具体实现

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。我们介绍了三种常用锁的实现

• Synchronized，它是一个：非公平，悲观，独享，互斥，可重入的重量级锁
• ReentrantLock，它是一个：默认非公平但可实现公平的，悲观，独享，互斥，可重入的重量级锁。
• ReentrantReadWriteLocK，它是一个，默认非公平但可实现公平的，悲观，写独享/读共享，读写，可重入的重量级锁

我们详细比较了每一类锁的分类

非阻塞同步

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），我们介绍了CAS自旋锁以及自旋锁的优化，自旋操作和版本号的方案

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。我们共介绍了无同步代码和ThreadLocal两种方案。