Java中的锁优化(偏向锁,轻量级锁,重量级锁)

参考《Java并发编程的艺术》
参考https://blog.csdn.net/choukekai/article/details/63688332

锁优化的意义

为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗,java引入了偏向锁和轻量级锁,并对锁的存储结构进行了升级。

synchronized在JVM中的实现原理

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,monitorenter指令在编译后插入到同步代码块的开始位置,monitorexit是插入到方法结束处或者异常处,JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之对应。任何对象都与一个monitor与之关联,并且一个monitor被持有之后,它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令的时候,将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权,也就是尝试获取对象的锁。

java对象头

synchronized用的锁是存储在java对象头中的。如果对象是数组类型,则虚拟机用3个字宽(word)存储对象头,如果是非数组类型,则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中,1字宽等于4字节,即32位,64位虚拟机(8字节)。

  1. Mark word(存储对象的hashcode和锁信息等)
  2. 存储到对象类型数据的指针
  3. 数组的长度(只有数组对象才有)

Java中的锁优化(偏向锁,轻量级锁,重量级锁)_第1张图片

偏向锁

Hotspot 的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程 ID,以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁,而只需简单的测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁,如果测试成功,表示线程已经获得了锁,如果测试失败,则需要再测试下 Mark Word中偏向锁的标识是否设置成 1(表示当前是偏向锁),如果没有设置,则使用 CAS 竞争锁,如果设置了,则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁的撤销:
偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制,所以当其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤
销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有字节码正在执行),它会首先暂停拥有偏向锁的线程,然后检查持有偏向锁的线程是否活着,如果线程不处于活动状态,则将对象头设置成无锁状态,如果线程仍然活着,拥有偏向锁的栈会被执行,遍历偏向对象的锁记录,栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程,要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁,最后唤醒暂停的线程。

轻量级锁

轻量级锁加锁:
线程在执行同步块之前, JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中,官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功,当前线程获得锁,如果失败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
轻量级锁解锁:
轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头,如果成功,则表示没有竞争发生。

如果有两条以上的线程争用同一个锁,那轻量级锁就不再有效,要膨胀为重量级锁,锁标志的状态值变为”10”,Mark Word中存储的就是指向重量级(互斥量)的指针。

锁升级的过程

一个对象刚开始实例化的时候,没有任何线程来访问它的时候。它是可偏向的,意味着,它现在认为只可能有一个线程来访问它,所以当第一个线程来访问它的时候,它会偏向这个线程,此时,对象持有偏向锁。偏向第一个线程,这个线程在修改对象头成为偏向锁的时候使用CAS操作,并将对象头中的ThreadID改成自己的ID,之后再次访问这个对象时,只需要对比ID,不需要再使用CAS在进行操作。一旦有第二个线程访问这个对象,因为偏向锁不会主动释放,所以第二个线程可以看到对象时偏向状态,这时表明在这个对象上已经存在竞争了,检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活,如果挂了,则可以将对象变为无锁状态,然后重新偏向新的线程,如果原来的线程依然存活,则马上执行那个线程的操作栈,检查该对象的使用情况,如果仍然需要持有偏向锁,则偏向锁升级为轻量级锁,(偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的)。如果不存在使用了,则可以将对象回复成无锁状态,然后重新偏向。轻量级锁认为竞争存在,但是竞争的程度很轻,一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开,或者说稍微等待一下(自旋),另一个线程就会释放锁。 但是当自旋超过一定的次数,或者一个线程在持有锁,一个在自旋,又有第三个来访时,轻量级锁膨胀为重量级锁,重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞,防止CPU空转。

偏向锁,轻量级锁,重量级锁的对比

偏向锁:
优点:加锁和解锁不需要额外的消耗
缺点:如果线程间存在锁竞争,会带来额外的撤销锁的消耗
使用场景:只有线程访问同步块的场景

轻量级锁:
优点:竞争的线程不会阻塞,提高了程序的响应速度
缺点:如果始终得不到锁竞争的线程,会使用自旋会消耗CPU
使用场景:追求响应时间,同步块的执行速度非常快

重量级锁:
优点:线程竞争不使用自旋,不会消耗CPU
缺点:线程阻塞,响应时间缓慢
使用场景:追求吞吐量,同步块执行时间较长

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