锁实际上是加在对象上的,那么被加了锁的对象我们称之为锁对象,在java中,任何一个对象都能成为锁对象。
为了更好着理解虚拟机是如何知道这个对象就是一个锁对象的,下面简单介绍一下java中一个对象的结构。
java对象在内存中的存储结构主要有一下三个部分:
这里强调一下,对象头里的数据主要是一些运行时的数据。
其简单的结构如下
长度 | 内容 | 说明 |
---|---|---|
32/64bit | Mark Word | hashCode GC分代年龄,锁信息 |
32/64bit | Class pointer | 指向对象类型数据的指针 |
32/64bit | Array Length | 数组的长度(当对象为数组时) |
当我们创建一个对象LockObject时,该对象的部分Markword关键数据如下:
bit fields | 是否偏向锁 | 锁标志位 |
---|---|---|
hash | 0 | 01 |
偏向锁的标志位是“01”,状态是“0”,表示该对象还没有被加上偏向锁。(“1”是表示被加上偏向锁)。该对象被创建出来的那一刻,就有了偏向锁的标志位,这也说明了所有对象都是可偏向的,但所有对象的状态都为“0”,也同时说明所有被创建的对象的偏向锁并没有生效
当线程执行到临界区(critical section)时,此时会利用CAS(Compare and Swap)操作,将线程ID插入到Markword中,同时修改偏向锁的标志位。
临界区:就是只允许一个线程进去执行操作的区域,即同步代码块,只要对多线程并发有影响的都叫临界区。CAS是一个原子性操作
此时Mark word的结构信息如下:
bit fields | 是否偏向锁 | 锁标志位 | |
---|---|---|---|
threadId | epoch | 1 | 01 |
偏向锁的状态为“1”,说明对象的偏向锁生效了,同时也可以看到那个线程获取了该对象的锁
偏向锁:jdk1.6引入的一项锁优化,其中的“偏”是偏心的偏。它的意思就是说,这个锁会偏向于第一个获得它的线程,在接下来的执行过程中,假如该锁没有被其他线程所获取,没有其他线程来竞争该锁,那么持有偏向锁的线程将永远不需要进行同步操作。
也就是说:
在此线程之后的执行过程中,如果再次进入或者退出同一段同步块代码,并不再需要去进行加锁或者解锁操作,而是会做以下的步骤:
偏向锁是针对于一个线程而言的,线程获得锁之后就不会再有解锁等操作了,这样可以省略很多开销。假如有两个线程来竞争该锁话,那么偏向锁就失效了,进而升级成轻量级锁了。
为什么要这样做呢?因为经验表明,其实大部分情况下,都会是同一个线程进入同一块同步代码块的。这也是为什么会有偏向锁出现的原因。
在Jdk1.6中,偏向锁的开关是默认开启的,适用于只有一个线程访问同步块的场景。
当出现有两个线程来竞争锁的话,那么偏向锁就失效了,此时锁就会膨胀,升级为轻量级锁。这也是我们经常所说的锁膨胀
由于偏向锁失效了,那么接下来就得把该锁撤销,锁撤销的开销花费还是挺大的,其大概的过程如下:
锁撤销升级为轻量级锁之后,那么对象的Markword也会进行相应的变化。下面先简单描述下锁撤销之后,升级为轻量级锁的过程:
bit fields | 锁标志位 |
---|---|
指向LockRecord的指针 | 00 |
锁标志位“00”标示轻量级锁
轻量级锁主要有两种
自旋锁
自适应
所谓自旋,就是指当有另外一个线程来竞争锁时,这个线程会在原地循环等待,而不是把该线程给阻塞,直到那个获得锁的线程释放锁之后,这个线程就可以马上获得锁的。
注意,锁在原地循环的时候,是会消耗cpu的,就相当于在执行一个啥也没有的for循环。
所以,轻量级锁适用于那些同步代码块执行的很快的场景,这样,线程原地等待很短很短的时间就能够获得锁了。
经验表明,大部分同步代码块执行的时间都是很短很短的,也正是基于这个原因,才有了轻量级锁这么个东西。
自旋锁的一些问题。
基于这个问题,我们必须给线程空循环设置一个次数,当线程超过了这个次数,我们就认为,继续使用自旋锁就不适合了,此时锁会再次膨胀,升级为重量级锁。
默认情况下,自旋的次数为10次,用户可以通过-XX:PreBlockSpin来进行更改。
所谓自适应自旋锁就是线程空循环等待的自旋次数并非是固定的,而是会动态着根据实际情况来改变自旋等待的次数。
假如一个线程1刚刚成功获得一个锁,当它把锁释放了之后,线程2获得该锁,并且线程2在运行的过程中,此时线程1又想来获得该锁了,但线程2还没有释放该锁,所以线程1只能自旋等待,但是虚拟机认为,由于线程1刚刚获得过该锁,那么虚拟机觉得线程1这次自旋也是很有可能能够再次成功获得该锁的,所以会延长线程1自旋的次数。
另外,如果对于某一个锁,一个线程自旋之后,很少成功获得该锁,那么以后这个线程要获取该锁时,是有可能直接忽略掉自旋过程,直接升级为重量级锁的,以免空循环等待浪费资源。
轻量级锁也被称为非阻塞同步、乐观锁,因为这个过程并没有把线程阻塞挂起,而是让线程空循环等待,串行执行。
轻量级锁膨胀之后,就升级为重量级锁了。重量级锁是依赖对象内部的monitor锁来实现的,而monitor又依赖操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现的,所以重量级锁也被成为互斥锁。
当轻量级所经过锁撤销等步骤升级为重量级锁之后,它的Markword部分数据大体如下:
bit fields | 锁标志位 |
---|---|
指向Mutex的指针 | 10 |
主要是,当系统检查到锁是重量级锁之后,会把等待想要获得锁的线程进行阻塞,被阻塞的线程不会消耗cup。但是阻塞或者唤醒一个线程时,都需要操作系统来帮忙,这就需要从用户态转换到内核态,而转换状态是需要消耗很多时间的,有可能比用户执行代码的时间还要长。
这就是说为什么重量级线程开销很大的
互斥锁(重量级锁)也称为阻塞同步、悲观锁
通过上面的分析,我们知道了为什么synchronized关键字为何又深得人心,也知道了锁的演变过程。
也就是说,synchronized关键字并非一开始就该对象加上重量级锁,也是从偏向锁,轻量级锁,再到重量级锁的过程。
这个过程也告诉我们,假如我们一开始就知道某个同步代码块的竞争很激烈、很慢的话,那么我们一开始就应该使用重量级锁了,从而省掉一些锁转换的开销。