Android---java线程优化 偏向锁、轻量级锁和重量级锁

java 中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的帮忙,这就需要从用户态转换到核心态。状态转换需要花费很多时间,如下代码所示:

private Object lock = new Object();

private int value;

public void setValue(){
    synchronized(this){
        value++;
    }
}

value++ 被关键字 synchronized 修饰,所以会在各个线程间同步执行。但是,value++执行的时间很有可能比线程转换所消耗的时间还短。所以 synchronized 是 java 中的一个重量级操作。

synchronized 实现原理

对象头

Java 对象在内存中的布局分为 3 个部分:对象头实例数据对齐填充。在 Java 代码中,使用 new 创建一个对象时,JVM 会在堆中创建一个 instanceOopDesc 对象,这个对象中包含了对象头以及实例数据。instanceOopDesc 的基类为 oopDesc 类

class oopDesc{
    friend class VMStructs;
    private:
        volatile markOop _mark;
        union _metadata{
            wideKlassOop _ klass;
            narrowOop _compressed_klass;
        } _metadata;
}

其中 _mark 和 _metadata 一起组成了对象头。其中,_mark 是 markOop 类型数据,一般称它为标记字段(Mark Word),其中主要存储了对象的 hashCode、分代年龄、锁标志位、是否偏向锁等。如下图所示,32位 Java 虚拟机的 Mark Word 的默认存储结构。

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默认情况下,没有线程进行加锁操作,所以锁对象中的 mark word 处于无锁状态。但是,考虑到 JVM 的空间效率,mark word 被设定为一个非固定的数据结构,以便存储更多的有效数据。他会根据对象本身的状态复用自己的存储空间。如,32 位 JVM 下,处了上述 mark word 列出的默认存储结构外,还有如下可能变化的结构

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从图中可以看出,根据锁标志位以及是否为偏向锁,Java 中的锁可以分为以下几种状态:

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在 Java6之前没有偏向锁和轻量级锁,只有重量级锁,也就是通常所说的 synchronized 对象锁。从图中可以看出,当锁为重量级锁时,对象头中的 mark word 会用 30 个 bit 来指向一个互斥量,而这个互斥量就是 monitor

Monitor

Monitor 是一个保存在对像头中的一个对象。可以把 Monitor 理解为一个同步工具或者一种同步机制。在 markOop 中有如下代码

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通过 Monitor 方法创建一个 Obj 对象,而 ObjectMonitor 就是 Java 虚拟中的 Monitor 的具体实现。因此 Java 中每个对象都有一个对应 ObjectMonitor 对象这也是 Java 中所有 Object 对象都可以作为锁的原因

ObjectMonitor 是如何实现同步机制的呢?

首先看一下 ObjectMonitor 的结构。

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其中,几个比较关键的属性如下

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当多个线程同时访问一段代码时,首先会进入 _EntryList 队列中,当某个线程通过竞争获取到对象的 monitor 后,monitor 会把 _owner 变量设置为当前线程。同时 monitor 中的计数器 _count 加 1, 即获得对象锁。

若持有 monitor 的线程调用 wait() 方法,将释放当前持有的 monitor,_owner 变量恢复为 null,_count 自减1,同时该线程进入 _WaitSet 集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放 monitor(锁)并复位变量值,以便其它线程进入获取 monitor (锁)。

ObjectMonitor 的同步机制是 JVM 对操作系统级别的 Mutex Lock(互斥锁)的管理过程,其间都会转入操作系统内核态。synchronized 实现锁,在“重量级”状态下,当多个线程之间切换上下文时,是一个比较重量级的操作。

Java 虚拟机对 synchronized 的优化

从 java 6开始,虚拟机对 synchronized 关键字做了多方面的优化。主要目的:避免 ObjectMonitor 的访问,减少 “重量级锁”的使用次数,并最终减少线程上下文切换的频率。其中主要做了以下几个优化:1)锁自旋;2)轻量级锁;3)偏向锁

锁自旋

线程的阻塞和唤醒需要 CPU 从用户态转为核心态,频繁的阻塞和唤醒对 CPU 来说是一件负担很重的工作,所以 java 引入自旋锁。自旋锁在 Java 1.4 被引入,默认关闭,可以使用参数 -XX:+UseSpinning 将其开启,从 Java 6 之后默认开启

自旋:是让该线程等待一段时间,不会被立即挂起,看当前持有锁的线程是否会很快释放锁,而所谓的等待就是执行一段无意义的循环即可(自旋)。

自旋锁的缺陷:自旋要占用 CPU。如果锁竞争的时间比较长,那么自旋通常不能获得锁,白白浪费了自旋占用的 CPU 时间。这通常发生在锁持有时间长,且竞争激烈的场景中,此时应主动禁用自旋锁。

轻量级锁

Java 虚拟机中会存在这两种情形:对于一块同步代码,虽然有多个不同线程会去执行,但是这些线程是在不同的时间段交替请求这把锁对象,不存在锁竞争的情况。在这种情况下,锁会保持在轻量级锁的状态,从而避免重量级锁的阻塞和唤醒操作 。

要了解轻量级锁的工作流程,需要再次看下对象头中的 Mark Word。当线程执行某同步代码时,JVM 虚拟机会在当前线程的栈帧中开辟一块空间作为该锁的记录,如下图所示:

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然后 Java 虚拟机会尝试使用 CS  操作将锁对象的 mark word 拷贝到这块空间,并且将所记录中的 owner 指向 mark word,如下图所示

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 当线程再次执行同步代码块时,判断当前对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧。如果是则表示当前线程已经持有当前对象的锁,则直接执行同步代码块;否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了,这时轻量级锁需要膨胀为重量级锁。轻量级锁适应的场景是线程交替执行同步块的场合,如果存在同一时间访问同一锁的场合,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

偏向锁

在一些情况下,锁总是由同一个线程获得,因此为了让锁获得的代价更低,引入了偏向锁。

偏向锁是如果一个线程获得了一个偏向锁,如果在接下来的一段时间中没有其他线程来竞争锁,那么持有偏向锁的线程再次进入或者退出同一个同步代码块,不需要再次进行抢占锁和释放锁的操作。偏向锁可以通过 -XX:+UseBiasedLocking 开启或者关闭。

偏向锁的具体实现

在锁对象的对象头中有个 ThreadId 字段,默认情况下这个字段是空的。当第一次获取锁的时候,将自身的 ThreadId 写入锁对象的 Mark word 中的 ThreadId 字段内,将是否偏向锁的状态设置为 01,下次获取锁的时候,直接检测 ThreadId 是否和自身线程 Id 一致。如果一致,则认为当前线程已经获取了锁,因此不需要再次获取锁。略过了轻量级锁和重量级锁的加锁阶段,提高了效率。

偏向锁并不适合所有应用场景。一旦出现锁竞争,偏向锁会被撤销(revoke),并膨胀为轻量级锁,而撤销操作是比较重的行为。只有当存在较多不会 真正竞争的 synchronized 块时,才能体现出明显的改善。在实践中,需要考虑具体业务场景,并测试,再次决定是否开启/关闭偏向锁

总结

本次主要介绍了Java中锁的几种状态
● 偏向锁和轻量级锁是通过自旋等技术避免真正的加锁;

● 重量级锁是获取锁和释放锁;

重量级锁通过对象内部的监视器(ObjectMonitor) 实现,其本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现,操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换,成本非常高。

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