jUC中的锁

在JUC中 可以使用synchronized关键字进行加锁
如下所示

Object object = new Object();
synchronized (object){
//            TODO
}

synchronized关键字所加的锁是逐步升级的，顺序是

无锁-> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁、

随着锁等级的提高，所带来的消耗也会越大。

在介绍锁直接之前，我们需要先引入一些概念。
在java中，对象由对象头+实例数据+填充数据(可选)组成。而对象头=Marklass+KClass+Body。其中Klass被用来存储对象指向类元数据的指针，虚拟机通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。MarkWord则用来存储一些对象自身运行时数据，根据机器不同有32位和64位之分。以64位为例，它在不同锁状态下的结构如下所示
JUC-Monitor-MarkWord结构64位

下面将逐个介绍这些锁

偏向锁

首先是偏向锁，偏向锁的思想是偏向于让第一个获取锁对象的线程，这个线程之后重新获取该锁不再需要同步操作。

偏向锁是默认开启的，并且是有延迟的，不会在程序启动时默认生效。原因是在刚开始执行代码时，会有好多线程来抢锁，如果开偏向锁效率反而降低。

  • 使用jvm参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 可以禁用掉延迟
  • 使用jvm参数 -XX:-UseBiasedLocking 可以禁用掉偏向锁

当锁对象第一次被线程获得进入偏向状态时，会使用CAS操作将线程ID（53位）记录到Markword中 而且Markwod中的biased_lock=1 锁标志位会变成01。也就是MarkWord的后三位会由正常状态下的001变成101。如果 CAS 操作成功，这个线程以后进入这个锁相关的同步块，查看这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，就不需要再进行任何同步操作。当有其他线程来竞争锁对象时，偏向锁就会被撤销。

偏向锁的撤销

  • 当锁对象的hashcode被调用后，偏向锁机会被撤销，原因是在markword中记录线程ID的字段占用了hashcode的字段（在未偏向时使用hashcode会导致直接成为轻量级锁，在已偏向时调用hashcode会直接升级为重量级锁）。
  • 当有其他线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
  • 调用 wait/notify时，notify会升级为轻量级锁，notify则会升级为重量级锁。
  • 批量撤销 如果对象被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID
  • 批量重偏向 当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，JVM 会觉得是不是偏向错了，于是在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
  • 批量撤销 当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，JVM 会觉得自己确实偏向错了，根本就不该偏向，于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

轻量级锁

当一个对象有多个对象要加锁，但是时间是错开的，JVM会使用轻量级锁来优化
轻量级锁在没有竞争时（锁重入时），每次重入仍然需要执行 CAS 操作，Java 6 才引入的偏向锁来优化。

加锁过程

  • 创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，存储锁定对象的 Mark Word

  • 让锁记录中 Object reference 指向锁住的对象，并尝试用 CAS 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
    img

  • 如果 CAS 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00（轻量级锁） ，表示由该线程给对象加锁
    img

  • 如果CAS 失败 则有两种情况

    • 一是锁重入 添加一条 Lock Record 作为重入的计数
      img
    • 二是其他线程已经持有该对象的轻量级锁 这时表明存在竞争 会将轻量级锁升级为重量级锁。

解锁过程

  • 如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减 1
  • 如果锁记录的值不为 null，这时使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象头
    • 成功，则解锁成功
    • 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

重量级锁

当发生多个线程同时竞争时，轻量级锁就会升级为重量级锁，重量级锁的实现依赖于Monitor

Montior

Monitor 被翻译为监视器或管程。每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，Monitor 也是 class，其实例存储在堆中，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针。
Montior由Owner EntryList WaitSet三部分组成
img
img

轻量级锁升级（锁膨胀）

在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，可能是其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁

  • 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

  • Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程：为 Object 对象申请 Monitor 锁，通过 Object 对象头获取到持锁线程，将 Monitor 的 Owner 置为 Thread-0，将 Object 的对象头指向重量级锁地址，然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

锁自旋

重量级锁竞争时，尝试获取锁的线程不会立即阻塞，可以使用自旋（默认 10 次）来进行优化，采用循环的方式去尝试获取锁

注意：

  • 自旋占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费时间，因为同一时刻只能运行一个线程，多核 CPU 自旋才能发挥优势
  • 自旋失败的线程会进入阻塞状态

优点：不会进入阻塞状态，减少线程上下文切换的消耗

缺点：当自旋的线程越来越多时，会不断的消耗 CPU 资源

自旋锁说明：

  • 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，比较智能
  • Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能，由 JVM 控制

参考

本文内容参考以下内容
https://blog.csdn.net/Xin_101/article/details/117568632

posted @ 2024-08-11 23:42  浅花迷人  阅读(18)  评论(0)  编辑  收藏  举报