synchronized与CAS
参考:java3y《对线面试官》
synchronized
synchronized是⼀种互斥锁,⼀次只能允许⼀个线程进⼊被锁住的代码块
synchronized是Java的⼀个关键字,它能够将代码块/⽅法锁起来
如果synchronized修饰的是实例⽅法,对应的锁则是对象实例
如果synchronized修饰的是静态⽅法,对应的锁则是当前类的Class实例
如果synchronized修饰的是代码块,对应的锁则是传⼊synchronized的对象实例自动加锁和释放锁 Lock是手动加锁和释放锁
JDK1.6之前是重量级锁。
-- java3y《对线面试官》
底层原理
同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现,当线程执行到monitorenter的时候要先获得monitor锁,才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁
同步方法是通过设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现,当线程执行有ACC_SYNCHRONI标志的方法,需要获得monitor锁。
每个对象维护一个加锁计数器,为0表示可以被其他线程获得锁,不为0时,只有当前锁的线程才能再次获得锁。
同步方法和同步代码块底层都是通过monitor来实现同步的。
每个对象都与一个monitor对象相关联,线程可以占有或者释放monitor,monitor对象中存储着当前持有锁的线程以及等待锁的线程队列
内存中对象一般由三部分组成,分别是对象头、对象实际数据和对其填充,对象头里有Mark Word,Mark Word会记录对象关于锁的信息,有指针指向monoitor
--掘金社区 https://juejin.cn/post/6844903918653145102、 java3y
monitor是什么
可以理解为一种同步工具,或者说是同步机制,操作系统的管程是概念原理,ObjectMonitor是它的原理实现。
对象与monitor怎么关联
- 对象里有对象头
- 对象头里面有Mark Word
- Mark Word指针指向了monitor
JDK1.6优化
JDK1.6之前 它加锁是依赖底层操作系统的 mutex 相关指令实现,所以会有⽤户态和内核态之间的切换,性能损耗⼗分明显
JDK1.6增加了适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等优化策略。在jvm层面实现加锁逻辑,不依赖底层操作系统,就没有切换的消耗
什么是用户态和内核态
内核态:cpu可以访问内存的所有数据,包括外围设备,例如硬盘,网卡,cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
用户态:只能受限的访问内存,且不允许访问外围设备,占用cpu的能力被剥夺,cpu资源可以被其他程序获取。
区别就是对于资源的访问权限不一样
偏向锁
偏向锁指的就是JVM会认为只有某个线程才会执⾏同步代码(没有竞争的环境)
在Mark Word会直接记录线程ID,只要线程来执⾏代码了,会⽐对线程ID是否相等,相等则当前线程能直接获取得到锁,执⾏同步代码
如果不相等,则⽤CAS来尝试修改当前的线程ID,如果CAS修改成功,那还是能获取得到锁,执⾏同步代码
如果CAS失败了,说明有竞争环境,此时会对偏向锁撤销,升级为轻量级锁
轻量级锁
在轻量级锁状态下,当前线程会在栈帧下创建Lock Record,Lock Record 会把Mark Work的信息拷贝进去,且有个Owner指针指向加锁的对象
线程执行到同步代码时,则用CAS试图将Mark Word的指针指向线程栈帧的Lock Record,假设CAS修改成功,则获取得到轻量级锁
修改失败则自旋重试,自旋一定次数后,则升级为重量级锁
Lock Record
锁记录对象,存放在栈帧上,持有displaced word和锁住对象的元数据; 解释器使用lock record来检测非法的锁状态;
隐式地充当锁重入机制的计数器;
综述
synchronized锁原来只有重量级锁,依赖操作系统的mutex指令,需要用户态和内核态切换,性能损耗十分明显
重量级锁用到monitor对象,而偏向锁则在Mark Word记录线程ID进行比对,轻量级锁则是拷贝Mark Word到Lock Record,用CAS+自旋的
式获取
引入了偏向锁和轻量级锁,就是为了在不同的使用场景使用不同的锁,进而提高效率。锁只有升级,没有降级
只有一个线程进入临界区-》偏向锁
多个线程交替进入临界区-》轻量级锁
多线程同时进入临界区-》重量级锁
CAS
compare and swap,⽐较并交换是⼀个原⼦性的操作,对应到CPU指令为lock cmpxchg
有三个操作数:当前值A、内存值V、要修改的新值B
假设 当前值A 跟 内存值V 相等,那就将 内存值V 改成B
假设 当前值A 跟 内存值V 不相等,要么就重试,要么就放弃更新
将当前值与内存值进⾏对⽐,判断是否有被修改过,这就是CAS的核⼼
为什么要用CAS
synchronized锁每次只会让⼀个线程去操作共享资源
⽽CAS相当于没有加锁,多个线程都可以直接操作共享资源,在实际去修改的时候才去判断能否修改成功
在很多的情况下会比synchronized锁要⾼效很多
⽐如,对⼀个值进⾏累加,就没必要使⽤synchronized锁,使⽤juc包下的Atomic类就⾜以 (atomic包下采用的是CAS)
有什么缺点
会带来ABA的问题,因为只⽐对当前值和内存值是否相等
线程A拿到当前值10,线程B修改内存值为20,线程C又改回来,当线程A去判断当前值和内存值是否相等的时候,发现是相等的,线程A是可
以修改的,它觉得值没有发生过变化
解决:java提供了AtomicStampedReference类供我们⽤,就是引入版本,比对的是内存值+版本值是否一致
CAS是原子操作为什么会有ABA问题
https://www.jianshu.com/p/72d02353dc7e
在CAS算法中,需要取出内存中某时刻的数据(由用户完成),在下一时刻比较并替换(由CPU完成,该操作是原子的)。这个时间差中,会导致数据的变化。
在读取内存值,然后进行CAS(原子)操作之间的这个时间段,是可能发生ABA问题的
推荐使⽤ LongAdder 对象
阿⾥巴巴开发⼿册提及到 推荐使⽤ LongAdder 对象,⽐ AtomicLong 性能更好(减少乐观锁的重试次数)
AtomicLong做累加的时候实际上就是多个线程操作同⼀个⽬标资源,在⾼并发时,只有⼀个线程是执⾏成功的,其他的线程都会失败,不断⾃旋(重试),⾃旋会成为瓶颈
⽽LongAdder的思想就是把要操作的⽬标资源「分散」到数组Cell中,每个线程对⾃⼰的 Cell 变量的 value 进⾏原⼦操作,⼤⼤降低了失败的次数,这就是为什么在⾼并发场景下,推荐使⽤LongAdder 的原因
作者: deity-night
出处: https://www.cnblogs.com/deity-night/
关于作者:码农
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