Java锁升级

基础知识之一:锁的类型

锁从宏观上分类,分为悲观锁与乐观锁。

乐观锁

乐观锁是一种乐观思想,即认为读多写少,遇到并发写的可能性低,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,采取在写时先读出当前版本号,然后加锁操作(比较跟上一次的版本号,如果一样则更新),如果失败则要重复读-比较-写的操作。

java中的乐观锁基本都是通过CAS操作实现的,CAS是一种更新的原子操作,比较当前值跟传入值是否一样,一样则更新,否则失败。

悲观锁

悲观锁是就是悲观思想,即认为写多,遇到并发写的可能性高,每次在读写数据的时候都会上锁,这样别人想读写这个数据就会block直到拿到锁。java中的悲观锁就是Synchronized,AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁,获取不到,才会转换为悲观锁,如RetreenLock。

基础知识之二:java线程阻塞的代价

java的线程是映射到操作系统原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入,需要在户态与核心态之间切换,这种切换会消耗大量的系统资源,因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间,专用的寄存器等,用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核,内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等,以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。

1.如果线程状态切换是一个高频操作时,这将会消耗很多CPU处理时间;
2.如果对于那些需要同步的简单的代码块,获取锁挂起操作消耗的时间比用户代码执行的时间还要长,这种同步策略显然非常糟糕的。

synchronized会导致争用不到锁的线程进入阻塞状态,所以说它是java语言中一个重量级的同步操纵,被称为重量级锁,为了缓解上述性能问题,JVM从1.5开始,引入了轻量锁与偏向锁,默认启用了自旋锁,他们都属于乐观锁

明确java线程切换的代价,是理解java中各种锁的优缺点的基础之一。

markword

在介绍java锁之前,先说下什么是markword,markword是java对象数据结构中的一部分,要详细了解java对象的结构可以点击这里,这里只做markword的详细介绍,因为对象的markword和java各种类型的锁密切相关;

markword数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32bit和64bit,它的最后2bit是锁状态标志位,用来标记当前对象的状态,对象的所处的状态,决定了markword存储的内容,如下表所示:

状态 标志位 存储内容 特点
未锁定 01 对象哈希码、对象分代年龄
轻量级锁定 00 指向锁记录的指针 竞争线程数量少,锁持有时间短,能通过自旋获取锁
膨胀(重量级锁定) 10 执行重量级锁定的指针 竞争线程数量多,锁持有时间长
GC标记 11 空(不需要记录信息)
可偏向 01 偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 只有一个线程在重复请求锁

32位虚拟机在不同状态下markword结构如下图所示:
Java锁升级_第1张图片
前面提到了java的4种锁,他们分别是重量级锁、自旋锁、轻量级锁和偏向锁,
不同的锁有不同特点,每种锁只有在其特定的场景下,才会有出色的表现,java中没有哪种锁能够在所有情况下都能有出色的效率,引入这么多锁的原因就是为了应对不同的情况;

前面讲到了重量级锁是悲观锁的一种,自旋锁、轻量级锁与偏向锁属于乐观锁,所以现在你就能够大致理解了他们的适用范围,但是具体如何使用这几种锁呢,就要看后面的具体分析他们的特性;

轻量级锁

加锁过程:发现MarkWord已经偏向其他线程,并且锁还没有释放(持有偏向锁的线程处于同步块?),此时把偏向锁升级成轻量级锁。在线程的栈帧里创建一条锁记录(LockRecord),把MarkWord拷贝进去(DisplayedMarkWord),然后修改MarkWord指向锁记录。接着自旋。如果自旋之后还不能获取锁,则膨胀成重量级锁,即修改MarkWord指向monitor对象(互斥变量?)。

轻量级锁的加锁过程:发现MarkWord已经偏向其他线程,但是锁已经释放,则撤销偏向锁,把MarkWord修改成无锁,接着获取偏向锁。(疑问:偏向锁不能自己解锁?)

轻量级锁的解锁过程:通过CAS操作把MarkWord改写成DisplacedMarkWord,也就是恢复到偏向锁。如果修改失败则说明已经是重量级锁了。

Monitor的同步队列包括:

竞争队列ContentionList: 等待锁的所有线程。是一个双向列表,新线程(并发)通过CAS操作放入头部,锁的Owner(单线程)从尾部取线程放入EntryList
候选队列EntryList: Owner把一个线程移入OnDeck
OnDeck: 同一时刻只有一个线程在竞争锁
Owner: 持有锁的线程
WaitSet: 调用了wait()的线程

偏向锁升级成轻量级锁

  • 线程A请求锁,发现对象的MarkWord是无锁状态,尝试CAS设置为偏向锁状态,并写入线程A的ID
  • 线程B也来请求锁,发现MarkWord已经是偏向锁状态,检查线程A是否存在
  • 如果此时线程A已经不存在
    • 将MarkWord设置为无锁状态(?)
    • 尝试CAS设置为偏向锁状态,并写入线程B的ID
  • 如果此时线程A存在
    • 暂停线程A
    • 在线程A的栈帧中创建锁记录(Lock Record)
    • 将MarkWord复制到该锁记录中
    • 尝试CAS更新MarkWord,指向该锁记录
    • 更新锁记录的Owner指向MarkWord(?)
    • 设置MarkWord为轻量级锁状态
    • 此时MarkWord与DisplacedMarkWord存储了相同的内容(?)
    • 继续执行线程A
    • 线程B自旋来获取锁

轻量级锁膨胀成重量级锁

  • 线程A栈帧的锁记录已经复制了MarkWord,并且MarkWord指向了该锁记录
  • 线程B来请求锁,发现MarkWord已经是轻量级锁,尝试自旋(?)
  • 线程B自旋之后还是获取不到锁(?)
    • 更新MarkWord,指向重量级锁(Mutex Lock)(?)
    • 设置MarkWord为重量级锁状态
    • 阻塞线程B
  • 线程A尝试CAS用DisplacedMarkWord替换当前的MarkWord,CAS失败
    • 释放锁
    • 唤醒阻塞的线程

作者:金舜径
链接:https://www.jianshu.com/p/c2089d096552
来源:简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

你可能感兴趣的:(java笔记)