Java源码剖析34讲学习笔记~5

synchronized 和 ReentrantLock 的实现原理是什么? 它们有什么区别?

Java 中每个对象都隐式包含一个 monitor(监视器) 对象

加锁的过程其实就是竞争 monitor 的过程

当线程进入字节码 monitorenter 指令之后

线程将持有 monitor 对象, 执行 monitorexit 时释放 monitor 对象

当其他线程没有拿到 monitor 对象时, 则需要阻塞等待获取该对象

synchronized

属于独占式悲观锁, 通过JVM隐式实现, 只允许同一时刻只有一个线程操作资源

ReentrantLock

是 Lock 的默认实现方式之一

是基于 AQS(Abstract Queued Synchronizer, 队列同步器) 实现的

默认是通过非公平锁实现的

它的内部有一个 state 的状态字段用于表示锁是否被占用

如果是 0 这表示锁未被占用, 此时线程就可以把 state 改为 1, 并成功获得锁

而其他未获得锁的线程只能去排队等待获取锁资源

1.6版本之后区别

1.5及之前synchronized性能远远低于ReentrantLock, 1.6之后则性能略低于ReentrantLock

1.6及之后区别如下:

• synchronized 是 JVM 隐式实现的, 而 ReentrantLock 是 Java 语言提供的 API
• ReentrantLock 可设置为公平锁, 而 synchronized 却不行
• ReentrantLock 只能修饰代码块, 而 synchronized 可以用于修饰方法, 修饰代码块等
• ReentrantLock 需要手动加锁和释放锁, 如果忘记释放锁, 则会造成资源被永久占用, 而 synchronized 无需手动释放锁
• ReentrantLock 可以知道是否成功获得了锁, 而 synchronized 却不行

考点

• ReentrantLock 的具体实现细节是什么?

  • 构造函数

  /**
   * 公平锁: 线程需要按照请求的顺序来获得锁
   * 非公平锁: 允许"插队"的情况存在(默认实现)
   * 插队: 指线程在发送请求的同时该锁的状态恰好变成了可用
   * - 那么此线程就可以跳过队列中所有排队的线程直接拥有该锁
   */
  public ReentrantLock() {
      sync = new NonfairSync(); // 非公平锁
  }
  
  public ReentrantLock(boolean fair){
      sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
  }
  

  • NonfairSync lock()

  final void lock() {
      if(compareAndSetState(0, 1))
          // 将当前线程设置为此锁的持有者
          setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
      else
          acquire(1);
  }
  

  • FairSync lock()

  final void lock() {
      acquire(1);
  }
  

  • acquire()

  public final void acquire(int arg){
      // 尝试获取锁, 如果获取锁失败, 则把它加入到阻塞队列中
      if(!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
          selfInterrupt();
  }
  

  • tryAcquire(int acquires)

  protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
      final Thread current = Thread.currentThread();
      int c = getState();
      if (c == 0) {
          // 公平锁比非公平锁多了一行代码 !hasQueuedPredecessors()
          if (!hasQueuedPredecessors() &&
              compareAndSetState(0, acquires)) { // 尝试获取锁
              setExclusiveOwnerThread(current); // 获取成功, 标记被抢占
              return true;
          }
      }
      else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
          int nextc = c + acquires;
          if (nextc < 0)
              throw new Error("Maximum lock count exceeded");
          setState(nextc);
          return true;
      }
      return false;
  }
  

  • acquireQueued(final Node node, int arg)

  final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
      boolean failed = true; // 获取锁是否成功的状态标识
      try {
          boolean interrupted = false; // 线程是否被中断
          for (;;) {
              final Node p = node.predecessor(); // 获取前一个节点(前驱节点)
              if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 当前节点为头节点的下一个节点时, 有权尝试获取锁
                  setHead(node); // 获取成功, 将当前节点设置为 head 节点
                  p.next = null; // help GC 原 head 节点出队, 等待被 GC
                  failed = false; // 获取成功
                  return interrupted;
              }
              if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && // 判断获取锁失败后是否可以挂起
                  parkAndCheckInterrupt())
                  interrupted = true; // 线程若中断, 返回 true
          }
      } finally {
          if (failed)
              cancelAcquire(node);
      }
  }
  

  • shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node)

  private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
      int ws = pred.waitStatus; // 获得前驱节点的状态
      if (ws == Node.SIGNAL) // 前驱节点的状态为 SIGNAL, 当前线程可以被挂起 (阻塞)
          return true;
      if (ws > 0) {
          do { // 若前驱节点状态为 CANCELLED, 那就一直往前找, 直到一个正常等待的状态为止
              node.prev = pred = pred.prev;
          } while (pred.waitStatus > 0);
          pred.next = node; // 并将当前节点排在它后边
      } else {
          compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL); // 把前驱节点的状态修改为 SIGNAL
      }
      return false;
  }
  

  • unlock()

  public void unlock(){
      sync.release(1);
  }
  
  public final boolean release(int arg){
      // 尝试释放锁
      if(tryRelease(arg)){
          // 释放成功
          Node h = head;
          if(h != null && h.waitStatus != 0)
              unparkSuccessor(h);
          return true;
      }
      return false;
  }
  

  • tryRelease(int releases)

  // 尝试释放当前线程占有的锁
  protected final boolean tryRelease(int releases) {
      int c = getState() - releases; // 释放锁后的状态, 0表示是否锁成功
      if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread()) // 如果拥有锁的线程不熟当前线程的话抛出异常
          throw new IllegalMonitorStateException();
      boolean free = false;
      if (c == 0) { // 锁被成功释放
          free = true;
          setExclusiveOwnerThread(null); // 清空独占线程
      }
      setState(c); // 更新 state 值, 0表示为释放锁成功
      return free;
  }
  

  

• JDK1.6 时锁做了哪些优化?

  • 自适应自旋锁
    • 自旋的时间不再是固定的时间, 而是通过同一个锁对象自旋等待成功获取锁的几率来调整
  • 锁升级(锁膨胀)
    • 偏向锁
      • 指在无竞争的情况下设置的一种锁状态
      • 会偏向于第一个获取它的线程
      • 当锁对象第一次被获取到之后, 会在此对象头中设置标识为"01"
      • 表示偏向锁的模式, 并且在对象头中记录此线程的ID
      • 偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能
      • 但如果在多数锁总会被不同的现场访问时, 偏向锁模式就比较多余了
      • 此时可以通过 -XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏向锁以提高性能
    • 轻量级锁
      • 是通过比较并交换 (CAS, Compare and Swap) 来实现的
      • 它对比的是线程和对象的 Mark Word (对象头中的一个区域)
      • 如果更新成功则表示当前线程成功拥有此锁
      • 如果失败, 虚拟机会先检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧
      • 如果是, 则说明当前线程已经拥有此锁, 否则, 则说明此锁已经被其他线程占用了
      • 当有两个以上的线程争抢此锁时, 轻量级锁就会膨胀为重量级锁
    • 重量级锁
      • 通过操作系统的互斥量(mutex lock) 来实现的
      • 这种实现方式需要在用户态和核心态之间做转换
      • 有很大的性能消耗, 这种传统实现锁的方式被称之为重量锁