在多线程并发编程中,synchronized一直都是元老级的角色,人们通常称为重量级锁,但是在jdk1.6之后,jdk就对synchronized做了大量的优化,这是候,我们就不能称他为重量级锁了,有时候它可以是很轻的。
synchronized
回顾一下synchronized
1.同步普通方法
public synchronized void sync1() {
// do somethings
}
在该方法中,synchronized锁的是当前实例的对象
2.同步静态方法
public static synchronized void sync2() {
// do somethings
}
由于该方法是一个静态方法,那么它锁的是当前类的class对象。
3.通过方法块
public void sync3() {
synchronized(this) {
// do somethings
}
}
public void sync4() {
synchronized(MyTest.css) {
// do somethings
}
}
同步方法块是需要根据方法中具体同步的对象来实现的。
在上面代码中其实sync3()跟同步普通方法一样,锁的是当前实例对象;那么sync4方法就与同步静态方法一样,锁的是当前类的class对象。
从上面代码可以看出来的,我们通过使用synchronized关键字可以很简单的解决并发问题,但是其实是jvm底层通过使用一种叫内置锁的手段,简化了开发人员实现并发的复杂度,在jdk1.6以前 synchronized是基于重量锁实现的,即每次遇到同步代码都要获取锁,然后释放锁,在jdk1.6之后对其优化,根据不同场景使用不同的策略,这也就是 偏向锁、轻量锁、重量锁的来由。在介绍他们之前我先介绍一下另一个锁-自旋锁。听到这么多锁,是不是头晕,当初我学习的时候也是这样的。但是当你慢慢学习深入,你就会很容易的理解每个锁的作用
自旋锁顾明思意就是旋转等待的意思,那么它的作用是什么呢?
1.当前线程尝试去竞争锁
2.竞争失败,准备阻塞自己
3.但是并没有阻塞自己,而是采用自旋锁,进入自旋状态。
4.进入自旋状态,并且重新不断竞争锁。
5.如果自旋期间成功获取锁,那么结束自旋状态,否则进入阻塞状态。
如果在自旋期间成功获取锁,那么就减少一次线程的切换。
根据上面的解释我们可以很容易理解自旋锁的意义,因为CPU从内核状态切换至用户状态,线程的阻塞与恢复都会浪费资源的,但是通过自旋而不是去阻塞当前线程,那么就会节省这一个CPU状态的切换。
所以自旋锁适合在持有锁时间长,并且竞争不激烈的场景下使用。
使用-XX:-UseSpinning参数关闭自旋锁优化;-XX:preBlockSpin参数修改默认的自旋次数。
在实际场景中,如果一个同步方法,没有多线程竞争,并且总是由同一个线程多次获取锁,在这种场景下,如果每次还有阻塞线程,唤醒cpu从用户状态转核心态,那么对于cpu是一种资源的浪费,为了解决这类问题,就引入了偏向锁的概念。
“偏向”的意思是,偏向锁假设将来只有第一个申请锁的线程会使用锁(不会有任何线程再来申请锁),因此,只需要在Mark word中CAS记录owner(本质上也是更新,但初始值为空),如果记录成功,则偏向锁获取成功,记录锁的状态为偏向锁;否则说明有其他线程竞争,膨胀为轻量级锁。
具体的步骤如下:
1.访问同步代码块
2.检查对象头是都owner是否存储当前线程的id
3.如果没有,进行CAS尝试替换mark word中的owner。如果有执行同步代码块(代表获取锁成功)
4.修改成功(代表无竞争)owner修改为当前线程的id,执行同步代码块。修改失败(代表有竞争)进入撤销偏向锁,暂停线程并将owner置空,进入轻量级锁。
偏向锁无法使用自旋锁,因为一旦有其他线程申请资源,就破坏了偏向锁的假定。
如果你确定应用程序中所有的锁通常是在竞争状态,你可以通过JVM参数关闭偏向锁
UseBiasedLocking = false,那么程序会默认进入轻量锁状态。
偏向锁是为了解决同步代码在单线程下访问性能问题。
轻量级锁是为了解决减少无实际竞争情况下,使用重量级锁产生的性能消耗。
轻量锁,顾名思义,轻量是相对于重量的来说的,使用轻量级锁时,不需要申请互斥量(mutex),而是将mark word中的信息复制到当前线程的栈中,然后通过CAS尝试修改mrak word并替换成轻量锁,如果替换成功则执行同步代码块。如果此时有线程2来竞争,并且他也尝试cas修改mark word但是失败了,那么线程2进入自旋状态,如果在自旋状态也没有修改成功,那么轻量锁将膨胀成重量级锁,mark word会被修改成重量锁标记(10,),线程进入阻塞状态。
当然,由于轻量级锁天然瞄准不存在锁竞争的场景,及时存在锁竞争但是也不激烈,仍然可以通过使用自旋锁优化,自旋失败之后再膨胀称为重量级锁。
在JVM规范中,synchronized是基于监视器锁(monitor)来实现的,它会在同步代码之前添加一个monitorenter指令,同时在同步代码结束处和异常处添加一个monitorexit指令去释放该对象的monitor。需要注意的是每一个对象都有一个monitor与之配对,当一个monitor被获取之后,也就是被monitorenter,它会处于锁定状态,其他尝试获取该对象的monitor线程会获取失败,只有当获取该对象的monitor的线程执行了monitorexit指令后,其他线程才有可能获取该对象的monitor成功。
所以从上面描述可以得出,监视器锁就是monitor它是互斥的(mutex)。由于它是互斥的,那么它的操作成本就非常的高,包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。因此,后来称这种锁为“重量级锁”。
偏向锁、轻量级锁、重量级锁适用于不同的并发场景:
偏向锁:无实际竞争,且将来只有第一个申请锁的线程会使用锁。
轻量级锁:无实际竞争,多个线程交替使用锁;允许短时间的锁竞争。
重量级锁:有实际竞争,且锁竞争时间长。
另外,如果锁竞争时间短,可以使用自旋锁进一步优化轻量级锁、重量级锁的性能,减少线程切换。
如果锁竞争程度逐渐提高(缓慢),那么从偏向锁逐步膨胀到重量锁,能够提高系统的整体性能。
同时需要注意锁可以升级,但是不能降级。
另外通过这次学习,大家应该也知道自从jdk1.6以后 synchronized已经被优化了,性能不会比Lock差
所以jdk.16版本及其以后版本的同学可以放心大胆的使用了。
最后附一张从偏向锁膨胀至重量锁的完全的流程图