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Java鎖,真的有這么復雜嗎?

Darkgel / 3108人閱讀

摘要:撤銷鎖偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制,所以當其他線程嘗試競爭偏向鎖時,持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。輕量級鎖線程在執行同步代碼塊之前,會先在當前線程的棧楨中創建用于存儲鎖記錄的空間,并將對象頭中的復制到鎖記錄中,官方稱為。

前言

作者前面也寫了幾篇關于Java并發編程,以及線程和volatil的基礎知識,有興趣可以閱讀作者的原文博客,今天關于Java中的兩種鎖進行詳解,希望對你有所幫助

</>復制代碼

  1. 本文受趙sir原創發布,轉載請聯系原創
    https://blog.csdn.net/qq_3609...
為什么使用synchronized

在上一章中說了volatile,在多線程下可以保證變量的可見性,但是不能保證原子性,下面一段代碼說明:

運行上面代碼,會發現輸出flag的值不是理想中10000,雖然volatile寫入時候會通知其他線程的工作內存值無效,從主內存重寫讀取。i++是三步操作,讀取-賦值-寫入不能保證原子性。原子性:不能被中斷要么成功要么失敗。

比如此時主內存的flag值10,線程1和線程2讀取到自己工作內存都是10,然后線程1在進行賦值的時候,線程2執行了,這時線程2發現自己內存的值和主內存的值一樣,并沒有修改,然后賦值寫入11,此時線程1運行,因為之前讀過了,會往下繼續運行寫入也是11。那么兩個線程相當于只增加了一次。要想達到理想值,只需要修改public synchronized void increase() { flag++; }就行了。

什么是synchronized

Java提供的一種原子性性內置鎖,Java每個對象都可以把它當做是監視器鎖,線程代碼執行在進入synchronized代碼塊時候會自動獲取內部鎖,這個時候其他線程訪問時候會被阻塞到隊列,直到進入synchronized中的代碼執行完畢或者拋出異常或者調用了wait方法,都會釋放鎖資源。在進入synchronized會從主內存把變量讀取到自己工作內存,在退出的時候會把工作內存的值寫入到主內存,保證了原子性。

synchronized機制

編譯后執行javap -v Test.class就會發現兩條指令。

synchronized是使用一種monitor機制,在進入鎖時候先執行monitorenter指令。退出的時候執行monitorexit指令。synchronized是可重入鎖,每個對象中都含有一個計數器當前線程再次獲取鎖,計數器+1,退出時候計算器-1,直到計數器為0才釋放鎖資源,喚醒其他線程來爭搶資源。任意一個對象都擁有自己的監視器,只有在線程獲取到監視器鎖時才會進入代碼中,否則就進入阻塞狀態。

synchronized使用場景

對于普通方法,鎖是當前類實例對象。

對于靜態方法,鎖是當前類對象。

對于同步代碼塊,鎖是synchronized括號里的對象。

synchronized鎖升級

synchronized在1.6以前是重量級鎖,當前只有一個線程執行,其他線程阻塞。為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能問題,而引入了偏向鎖、輕量級鎖以及鎖的存儲過程和升級過程。在1.6后鎖分為了無鎖、偏向鎖、輕量鎖、重量鎖,鎖的狀態在多線程競爭的情況下會逐漸升級,只能升級而不能降級,這樣是為了提高鎖獲取和釋放的效率。

synchronized的鎖是存貯在Java對象頭里的,如果對象是數組類型,則虛擬機用3個字寬(Word)存儲對象頭,如果對象是非數組類型,則用2字寬存儲對象頭。1個字寬等于4個字節。


Java對象頭中的Mark Word里默認存儲了對象是HashCode、分代年齡、和鎖標記。


在運行的時候,Mark Word里存儲的數據會隨著鎖標志位的變化而變化,可能會變化為存儲以下四種形式。

偏向鎖

偏向鎖的意思未來只有一個線程使用鎖,不會有其他線程來爭取。

獲取鎖:

首先檢查Mark word中鎖的標志是否為01。

如果是01,判斷對象頭的Mark word記錄是否為當前線程ID,如果是執行5,否則執行3.

線程ID并未只指向自己,發送CAS競爭,如果競爭成功,則將Mark Word中線程ID設置為當前線程ID,執行5;如果未成功執行4。

當到達全局安全點(在這個時間點上沒有正在執行的字節碼)時獲得偏向鎖的線程被掛起,偏向鎖升級為輕量級鎖,然后被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼。

執行同步代碼。

撤銷鎖:偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制,所以當其他線程嘗試競爭偏向鎖時,持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。需要等待全局安全點,它首先暫停原持有偏向鎖的線程,然后檢查線程是否還在活著,如果線程處于未活動狀態,則釋放鎖標記,如果處于活動狀態則升級為輕量級鎖。

CAS

CAS全稱是Compare And Swap 即比較并交換,使用樂觀鎖機制,包含三個操作數 —— 內存位置(V)、預期原值(A)和新值(B)。 如果內存位置的值與預期原值相匹配,那么才會將該位置值更新為新值 。否則,處理器不做任何操作。

輕量級鎖

線程在執行同步代碼塊之前,JVM會先在當前線程的棧楨中創建用于存儲鎖記錄的空間,并將對象頭中的Mark Word復制到鎖記錄中,官方稱為Displaced Mark Word。

加鎖:

CAS修改Mark Word,如果成功指向棧中鎖記錄的指針執行3,如果失敗執行2.

發生自旋,自旋到一定次數,如果修改成功執行3,否則鎖膨脹為重量級鎖。

執行同步代碼塊。

解鎖:
輕量級解鎖時,會使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到對象頭,如果成功,則表示沒有競爭發生。如果失敗,表示當前鎖存在競爭,鎖就會膨脹成重量級鎖。

鎖的優缺點

徹底搞懂鎖升級

lock

它是在1.5之后提供的一個獨占鎖接口,它的實現類是ReentrantLock,相比較synchronized這種隱式鎖(不用手動加鎖和釋放鎖)的便捷性,但是提供了更加鎖的可操作性、可中斷的獲取鎖以及超時獲取鎖等多種synchronized不具備的特性。

使用方法

在finally中釋放鎖,目的保證獲取鎖最終被釋放。不要在獲取鎖寫在try里,因為如果在獲取鎖時發生了異常,異常拋出的同時,也會導致鎖無故釋放。

AQS

AQS是隊列同步器(AbstractQueuedSynchronizer),是用來構建鎖或者其他同步器的基礎框架,它使用了一個int成員變量表示同步狀態,通過內置的FIFO隊列來完成資源獲取的線程排隊工作問題。AQS在內部維護了一個單一的狀態信息state,可以通過getState、setState、compareAndSetState(CAS操作)修改此值,對于ReentrantLock來說,state可以用來表示當前線程獲取鎖的可重入次數。ReentrantLock中當一個線程獲取了鎖,在AQS的內部會進行compareAndSetState將state變為1,如果再次獲取就設置為2,釋放鎖也會去修改state值,只有當值變為0時,其他線程才能獲得鎖。

鎖的介紹

AQS底層維護state和隊列來實現獨占和共享兩種鎖。

獨占鎖:每次只能有一個線程能持有鎖,如lock、synchronized。
共享鎖:允許多個線程同時獲取鎖,并發訪問共享資源,如ReadWriteLock。

lock分為公平鎖和非公平鎖,實現了AQS接口,通過FIFO設置鎖的優先級。

公平鎖:根據線程獲取鎖的時間來判斷,等待時間越久的線程優先被執行。Lock中初始化的時候ReentrantLock(true),默認為false,效率較低因為需要判斷線程的等待時間。

非公平鎖:搶占鎖資源,不能保證獲取鎖的線程優先級,效率較高,因為獲取鎖是競爭的。

兩者不同

synchronized是Java的關鍵字,lock是提供的類。

synchronized提供不需要手動加鎖和釋放的隱式鎖,釋放鎖的條件是代碼執行完或者拋出異常自動釋放。lock必須手動加鎖和釋放鎖,另外還提供了可中斷鎖、超時獲取鎖、判斷鎖狀態。

synchronized是可重入、不可中斷、非公平,lock是可重入、可中斷、公平(兩者皆可)

synchronized適合代碼量少的同步,lock適合代碼量同步多的。**

Condition接口

還記得在Java并發二中有一道生產者消費者,使用的是synchronized+wait(notify),lock中也提供了這種等待通知類型的方法await和signal,當前線程調用這些方法時,需要提前獲取到Condition對象關聯的鎖,Condition是依賴于Lock對象,調用lock對象中的newCondition。

老樣子還是先定義一個容器:


生產者:啟5個線程往容器里添加數據。

消費者:啟10線程消費數據

最后

注釋基本明確,就不多說了。wait和notify是配合synchronized使用,await和signal是配合lock使用,區別在于喚醒時notify不能指定線程喚醒,signal可以喚醒具體的線程,更小的粒度控制鎖。

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