Synchronized 原理
基本特点(只考虑 JDK 1.8):
- 1. 开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁.
- 2. 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁.
- 3. 实现轻量级锁的时候大概率用到的自旋锁策略
- 4. 是一种不公平锁
- 5. 是一种可重入锁
- 6. 不是读写锁
加锁工作过程
JVM 将 synchronized 锁分为 无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁 状态。会根据情况，进行依次升级。
偏向锁
第一个尝试加锁的线程, 优先进入偏向锁状态
偏向锁不是真的 "加锁", 只是给对象头中做一个 "偏向锁的标记", 记录这个锁属于哪个线程.
如果后续没有其他线程来竞争该锁, 那么就不用进行其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销)
如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了, 很容易识别
当前申请锁的线程是不是之前记录的线程), 那就取消原来的偏向锁状态, 进入一般的轻量级锁状态.
偏向锁本质上相当于 "延迟加锁" . 能不加锁就不加锁, 尽量来避免不必要的加锁开销.
但是该做的标记还是得做的, 否则无法区分何时需要真正加锁.
轻量级锁
随着其他线程进入竞争, 偏向锁状态被消除, 进入轻量级锁状态(自适应的自旋锁).
此处的轻量级锁就是通过 CAS 来实现.
- 通过 CAS 检查并更新一块内存 (比如 null => 该线程引用)
- 如果更新成功, 则认为加锁成功
- 如果更新失败, 则认为锁被占用, 继续自旋式的等待(并不放弃 CPU).
自旋操作是一直让 CPU 空转, 比较浪费 CPU 资源.
因此此处的自旋不会一直持续进行, 而是达到一定的时间/重试次数, 就不再自旋了.
也就是所谓的 "自适应
重量级锁
如果竞争进一步激烈, 自旋不能快速获取到锁状态, 就会膨胀为重量级锁
此处的重量级锁就是指用到内核提供的 mutex .
- 执行加锁操作, 先进入内核态.
- 在内核态判定当前锁是否已经被占用
- 如果该锁没有占用, 则加锁成功, 并切换回用户态.
- 如果该锁被占用, 则加锁失败. 此时线程进入锁的等待队列, 挂起. 等待被操作系统唤醒.
- 经历了一系列的沧海桑田, 这个锁被其他线程释放了, 操作系统也想起了这个挂起的线程, 于是唤醒这个线程, 尝试重新获取锁.
其他的优化操作
锁消除
编译器+JVM 判断锁是否可消除. 如果可以, 就直接消除
什么是 "锁消除"
有些应用程序的代码中, 用到了 synchronized, 但其实没有在多线程环境下. (例如 StringBuffer)
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("a");
sb.append("b");
sb.append("c");
sb.append("d");此时每个 append 的调用都会涉及加锁和解锁. 但如果只是在单线程中执行这个代码, 那么这些加
锁解锁操作是没有必要的, 白白浪费了一些资源开销.
锁粗化
一段逻辑中如果出现多次加锁解锁, 编译器 + JVM 会自动进行锁的粗化.
实际开发过程中, 使用细粒度锁, 是期望释放锁的时候其他线程能使用锁.
但是实际上可能并没有其他线程来抢占这个锁. 这种情况 JVM 就会自动把锁粗化, 避免频繁申请释
放锁
可以看到, synchronized 的策略是比价复杂的, 在背后做了很多事情, 目的为了让程序猿哪怕啥都不懂,也不至于写出特别慢的程序
什么是偏向锁?
偏向锁不是真的加锁, 而只是在锁的对象头中记录一个标记(记录该锁所属的线程). 如果没有其他线
程参与竞争锁, 那么就不会真正执行加锁操作, 从而降低程序开销. 一旦真的涉及到其他的线程竞
争, 再取消偏向锁状态, 进入轻量级锁状态.