一、同步锁与死锁
1、同步锁
当多个线程同时访问同一个数据时,很容易出现问题。为了避免这种情况出现,我们要保证线程同步互斥,就是指并发执行的多个线程,在同一时间内只允许一个线程访问共享数据。 Java 中可以使用 synchronized 关键字来取得一个对象的同步锁。
2、死锁
何为死锁,就是多个线程同时被阻塞,它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。
二、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,版本号主要解决ABA问题),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 (希望值、内存值、需要修改的值)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。
三、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,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以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。
四、自旋锁
自旋锁原理非常简单,如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源,那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态,它们只需要等一等(自旋),等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁,这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。
线程自旋是需要消耗 cup 的,说白了就是让 cup 在做无用功,如果一直获取不到锁,那线程也不能一直占用 cup 自旋做无用功,所以需要设定一个自旋等待的最大时间。
如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁,就会导致其它争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁,这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。
1、自旋锁的优缺点
自旋锁尽可能的减少线程的阻塞,这对于锁的竞争不激烈,且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升,因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗,这些操作会导致线程发生两次上下文切换!
但是如果锁的竞争激烈,或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块,这时候就不适合使用自旋锁了,因为自旋锁在获取锁前一直都是占用 cpu 做无用功,占着 XX 不 XX,同时有大量线程在竞争一个锁,会导致获取锁的时间很长,线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗,其它需要 cup 的线程又不能获取到 cpu,造成 cpu 的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁;
2、自旋锁时间阈值 ( 1.6 引入了适应性自旋锁 )
自旋锁的目的是为了占着 CPU 的资源不释放,等到获取到锁立即进行处理。但是如何去选择自旋的执行时间呢?如果自旋执行时间太长,会有大量的线程处于自旋状态占用 CPU 资源,进而会影响整体系统的性能。因此自旋的周期选的额外重要!
JVM 对于自旋周期的选择,jdk1.5 这个限度是一定的写死的,在 1.6 引入了适应性自旋锁,适应性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定,基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间,同时 JVM 还针对当前 CPU 的负荷情况做了较多的优化,如果平均负载小于 CPUs 则一直自旋,如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋,则后来线程直接阻塞,如果正在自旋的线程发现 Owner 发生了变化则延迟自旋时间(自旋计数)或进入阻塞,如果 CPU 处于节电模式则停止自旋,自旋时间的最坏情况是 CPU的存储延迟(CPU A 存储了一个数据,到 CPU B 得知这个数据之间的时间差),自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异。
自旋锁的开启
- JDK1.6 中-XX:+UseSpinning 开启;
- -XX:PreBlockSpin=10 为自旋次数;
JDK1.7 后,去掉此参数,由 jvm 控制;
五、Synchronized 同步锁
synchronized 它可以把任意一个非 NULL 的对象当作锁。他属于独占式的悲观锁,同时属于可重入锁。
可重入锁,也叫做递归锁,指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ,内层递归函数仍然有获取该锁的代码,但不受影响。在 JAVA 环境下 ReentrantLock 和 synchronized 都是 可重入锁。
1、Synchronized 作用范围
- 作用于方法时,锁住的是对象的实例(this);
- 当作用于静态方法时,锁住的是Class实例,又因为Class的相关数据存储在永久带PermGen(jdk1.8 则是 metaspace),永久带是全局共享的,因此静态方法锁相当于类的一个全局锁,会锁所有调用该方法的线程;
- synchronized 作用于一个对象实例时,锁住的是所有以该对象为锁的代码块。它有多个队列,当多个线程一起访问某个对象监视器的时候,对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。
2、Synchronized 核心组件
- Wait Set(等待池):哪些调用 wait 方法被阻塞的线程被放置在这里;
- Contention List:竞争队列,所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中;
- Entry List:Contention List 中那些有资格成为候选资源的线程被移动到 Entry List 中;
- OnDeck:任意时刻,最多只有一个线程正在竞争锁资源,该线程被成为 OnDeck;
- Owner:当前已经获取到所资源的线程被称为 Owner;
- !Owner:当前释放锁的线程。
3、Synchronized 实现

- JVM 每次从队列的尾部取出一个数据用于锁竞争候选者(OnDeck),但是并发情况下,ContentionList 会被大量的并发线程进行 CAS 访问,为了降低对尾部元素的竞争,JVM 会将一部分线程移动到 EntryList 中作为候选竞争线程。
- Owner 线程会在 unlock 时,将 ContentionList 中的部分线程迁移到 EntryList 中,并指定EntryList 中的某个线程为 OnDeck 线程(一般是最先进去的那个线程)。
- Owner 线程并不直接把锁传递给 OnDeck 线程,而是把锁竞争的权利交给 OnDeck,OnDeck需要重新竞争锁。这样虽然牺牲了一些公平性,但是能极大的提升系统的吞吐量,在JVM 中,也把这种选择行为称之为“竞争切换”。
- OnDeck 线程获取到锁资源后会变为 Owner 线程,而没有得到锁资源的仍然停留在 EntryList中。如果Owner线程被wait方法阻塞,则转移到WaitSet队列中,直到某个时刻通过notify或者 notifyAll 唤醒,会重新进去 EntryList 中。
- 处于 ContentionList、EntryList、WaitSet 中的线程都处于阻塞状态,该阻塞是由操作系统来完成的(Linux 内核下采用 pthread_mutex_lock 内核函数实现的)。
- Synchronized 是非公平锁。 Synchronized 在线程进入 ContentionList 时,等待的线程会先尝试自旋获取锁,如果获取不到就进入 ContentionList,这明显对于已经进入队列的线程是不公平的,还有一个不公平的事情就是自旋获取锁的线程还可能直接抢占 OnDeck 线程的锁资源。
- 每个对象都有个 monitor 对象,加锁就是在竞争 monitor 对象,代码块加锁是在前后分别加上 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现的,方法加锁是通过一个标记位来判断的;
- synchronized 是一个重量级操作,需要调用操作系统相关接口,性能是低效的,有可能给线程加锁消耗的时间比有用操作消耗的时间更多。
- Java1.6,synchronized 进行了很多的优化,有适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁及偏向锁等,效率有了本质上的提高。在之后推出的 Java1.7 与 1.8 中,均对该关键字的实现机理做了优化。引入了偏向锁和轻量级锁。都是在对象头中有标记位,不需要经过操作系统加锁。
- 锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级到重量级锁。这种升级过程叫做锁膨胀;
- JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁,可以通过-XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏向锁。
六、ReentrantLock
ReentantLock 继承接口 Lock 并实现了接口中定义的方法,他是一种可重入锁,除了能完成 synchronized 所能完成的所有工作外,还提供了诸如可响应中断锁、可轮询锁请求、定时锁等避免多线程死锁的方法。
Lock 接口的主要方法:
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方法
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作用
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void lock()
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执行此方法时, 如果锁处于空闲状态, 当前线程将获取到锁. 相反, 如果锁已经被其他线程持有, 将阻塞当前线程, 直到当前线程获取到锁.
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boolean tryLock()
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如果锁可用, 则获取锁, 并立即返回 true, 否则返回 false. 该方法和lock()的区别在于, tryLock()只是"试图"获取锁, 如果锁不可用, 不会导致当前线程被阻塞,当前线程仍然继续往下执行代码. 而 lock()方法则是一定要获取到锁, 如果锁不可用, 就一直等待, 在未获得锁之前,当前线程并不继续向下执行.
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void unlock()
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执行此方法时, 当前线程将释放持有的锁. 锁只能由持有者释放, 如果线程
并不持有锁, 却执行该方法, 可能导致异常的发生.
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Condition newCondition()
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条件对象,获取等待通知组件。该组件和当前的锁绑定,当前线程只有获取了锁,才能调用该组件的 await()方法,而调用后,当前线程将缩放锁。
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getHoldCount()
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查询当前线程保持此锁的次数,也就是执行此线程执行lock方法的次
数。
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getQueueLength()
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返回正等待获取此锁的线程估计数,比如启动 10 个线程,1 个线程获得锁,此时返回的是 9
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getWaitQueueLength
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(Condition condition)返回等待与此锁相关的给定条件的线程估计数。比如 10 个线程,用同一个 condition 对象,并且此时这 10 个线程都执行了condition 对象的 await 方法,那么此时执行此方法返回 10
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hasWaiters(Condition condition)
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查询是否有线程等待与此锁有关的给定条件(condition),对于指定contidion 对象,有多少线程执行了 condition.await 方法
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lockInterruptibly()
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如果当前线程未被中断,获取锁
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tryLock()
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尝试获得锁,仅在调用时锁未被线程占用,获得锁
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tryLock(long timeout TimeUnit unit)
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如果锁在给定等待时间内没有被另一个线程保持,则获取该锁。
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lockInterruptibly()
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如果当前线程未被中断,获取锁
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1、非公平锁
JVM 按随机、就近原则分配锁的机制则称为不公平锁,ReentrantLock 在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式,默认为非公平锁。非公平锁实际执行的效率要远远超出公平锁,除非程序有特殊需要,否则最常用非公平锁的分配机制。
加锁时不考虑排队等待问题,直接尝试获取锁,获取不到自动到队尾等待;
比如 A 占用锁的时候,B 请求获取锁,发现被 A 占用之后,阻塞等待被唤醒,这个时候 C 同时来获取 A 占用的锁,如果是公平锁 C 来之后发现不可用之后一定排在 B 之后等待被唤醒,而非公平锁则可以让 C 先用,在 B 被唤醒之前 C 已经使用完成,从而节省了 C 等待和唤醒之间的性能消耗,这就是非公平锁比公平锁吞吐量大的原因。
非公平锁:C执行(也就是B等待)+B唤醒+B执行
公平锁:B唤醒+B执行+C唤醒+C执行
相减的结果:少了C唤醒,要是有n个C 的话,总体就少了n个C唤醒;
2、公平锁
公平锁指的是锁的分配机制是公平的,通常先对锁提出获取请求的线程会先被分配到锁,ReentrantLock 在构造函数中提供了是否公平锁的初始化方式来定义公平锁。
3、ReentrantLock 与 synchronized比较
- ReentrantLock 通过方法 lock()与 unlock()来进行加锁与解锁操作,与 synchronized 会被 JVM 自动解锁机制不同,ReentrantLock 加锁后需要手动进行解锁。为了避免程序出现异常而无法正常解锁的情况,使用 ReentrantLock 必须在 finally 控制块中进行解锁操作。
- ReentrantLock 相比 synchronized 的优势是可中断、公平锁、多个锁。这种情况下需要使用 ReentrantLock。
- ReentrantLock 是 API 级别的,synchronized 是 JVM 级别的;
- 底层实现不一样, synchronized 是同步阻塞,使用的是悲观并发策略,lock 是同步非阻塞,采用的是乐观并发策略;
- synchronized 在发生异常时,会自动释放线程占有的锁,因此不会导致死锁现象发生;而 Lock 在发生异常时,如果没有主动通过 unLock()去释放锁,则很可能造成死锁现象,因此使用 Lock 时需要在 finally 块中释放锁;
- Lock 可以让等待锁的线程响应中断,而 synchronized 却不行,使用 synchronized 时,等待的线程会一直等待下去,不能够响应中断。
ReentrantLock实例:
public class MyService {
private Lock lock = new ReentrantLock();
//Lock lock=new ReentrantLock(true);//公平锁
//Lock lock=new ReentrantLock(false);//非公平锁
private Condition condition=lock.newCondition();//创建 Condition
public void testMethod() {
try {
lock.lock();//lock 加锁
//1:wait 方法等待:
//System.out.println("开始 wait");
condition.await();
//通过创建 Condition 对象来使线程 wait,必须先执行 lock.lock 方法获得锁
//:2:signal 方法唤醒
condition.signal();//condition 对象的 signal 方法可以唤醒 wait 线程
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("ThreadName=" + Thread.currentThread().getName()+ (" " + (i + 1)));
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
4、Condition 类和 Object 类锁方法区别区别
- Condition 类的 awiat 方法和 Object 类的 wait 方法等效;
- Condition 类的 signal 方法和 Object 类的 notify 方法等效;
- Condition 类的 signalAll 方法和 Object 类的 notifyAll 方法等效;
- ReentrantLock 类可以唤醒指定条件的线程,而 object 的唤醒是随机的;
5、tryLock 和 lock 和 lockInterruptibly 的区别
- tryLock 能获得锁就返回 true,不能就立即返回 false,tryLock(long timeout,TimeUnitunit),可以增加时间限制,如果超过该时间段还没获得锁,返回 false;
- lock 能获得锁就返回 true,不能的话一直等待获得锁;
- lock 和 lockInterruptibly,如果两个线程分别执行这两个方法,但此时中断这两个线程,lock 不会抛出异常,而 lockInterruptibly 会抛出异常;
6、Semaphore 与 ReentrantLock
Semaphore 信号量
Semaphore 是一种基于计数的信号量。它可以设定一个阈值,基于此,多个线程竞争获取许可信号,做完自己的申请后归还,超过阈值后,线程申请许可信号将会被阻塞。Semaphore 可以用来构建一些对象池,资源池之类的,比如数据库连接池;
实现互斥锁(计数器为 1 )
我们也可以创建计数为 1 的 Semaphore,将其作为一种类似互斥锁的机制,这也叫二元信号量,表示两种互斥状态。
用法:
/ 创建一个计数阈值为 5 的信号量对象
// 只能 5 个线程同时访问
Semaphore semp = new Semaphore(5);
try { // 申请许可
semp.acquire();
try {
// 业务逻辑
} catch (Exception e) {
} finally {
// 释放许可
semp.release();
}
} catch (InterruptedException e) {
}
Semaphore 基本能完成 ReentrantLock 的所有工作,使用方法也与之类似,通过 acquire()与release()方法来获得和释放临界资源。经实测,Semaphone.acquire()方法默认为可响应中断锁,与 ReentrantLock.lockInterruptibly()作用效果一致,也就是说在等待临界资源的过程中可以被Thread.interrupt()方法中断。
此外,Semaphore 也实现了可轮询的锁请求与定时锁的功能,除了方法名 tryAcquire 与 tryLock不同,其使用方法与 ReentrantLock几乎一致。Semaphore也提供了公平与非公平锁的机制,也可在构造函数中进行设定。
Semaphore的锁释放操作也由手动进行,因此与 ReentrantLock 一样,为避免线程因抛出异常而无法正常释放锁的情况发生,释放锁的操作也必须在 finally 代码块中完成。
七、ReadWriteLock 读写锁
为了提高性能,Java 提供了读写锁,在读的地方使用读锁,在写的地方使用写锁,灵活控制,如果没有写锁的情况下,读是无阻塞的,在一定程度上提高了程序的执行效率。读写锁分为读锁和写锁,多个读锁不互斥,读锁与写锁互斥,这是由 jvm 自己控制的,你只要上好相应的锁即可。
Java 中 读 写 锁 有 个 接 口 java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock , 也 有 具 体 的 实 现ReentrantReadWriteLock。
八、共享锁和独占锁
java 并发包提供的加锁模式分为独占锁和共享锁。
1、独占锁
独占锁模式下,每次只能有一个线程能持有锁,ReentrantLock 就是以独占方式实现的互斥锁。独占锁是一种悲观保守的加锁策略,它避免了读/读冲突,如果某个只读线程获取锁,则其他读线程都只能等待,这种情况下就限制了不必要的并发性,因为读操作并不会影响数据的一致性。
2、共享锁
共享锁则允许多个线程同时获取锁,并发访问 共享资源,如:ReadWriteLock。共享锁则是一种乐观锁,它放宽了加锁策略,允许多个执行读操作的线程同时访问共享资源。
- AQS 的内部类 Node 定义了两个常量 SHARED 和 EXCLUSIVE,他们分别标识 AQS 队列中等待线程的锁获取模式。
- java 的并发包中提供了 ReadWriteLock,读-写锁。它允许一个资源可以被多个读操作访问,或者被一个 写操作访问,但两者不能同时进行。
九、重量级锁 ( Mutex Lock )
Synchronized 是通过对象内部的一个叫做监视器锁(monitor)来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到核心态,这个成本非常高,状态之间的转换需要相对比较长的时间,这就是为什么Synchronized 效率低的原因。因此,这种依赖于操作系统 Mutex Lock 所实现的锁我们称之为“重量级锁”。JDK 中对 Synchronized 做的种种优化,其核心都是为了减少这种重量级锁的使用。JDK1.6 以后,为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗,提高性能,引入了“轻量级锁”和“偏向锁”。
1、偏向锁
Hotspot 的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得。偏向锁的目的是在某个线程获得锁之后,消除这个线程锁重入(CAS)的开销,看起来让这个线程得到了偏护。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径,因为轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令,而偏向锁只需要在置换ThreadID 的时候依赖一次 CAS 原子指令(由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁,所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的 CAS 原子指令的性能消耗)。上面说过,轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能,而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。
如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向状态,此时 Mark word 的结构也变为偏向锁结构,当该线程再次请求锁时,无需在做任何同步操作,即获取锁的过程只需要检查 Mark Word 的锁标记位为偏向锁以及当前线程的 ID 等于 Mark Word 的 Thread ID 即可,这样就省去了大量关于锁申请的操作;
偏向锁的获取:
获得锁对象的MarkWord,判断是否处于可偏向状态(biased_lock_bits=1,且ThreadId为空)
1、如果是可偏向状态,则通过CAS操作,把当前线程的ID写入MarkWord
① 如果CAS成功,表示当前线程获得了偏向锁,并执行同步代码;
② 如果CAS失败,说明存在竞争,需要撤销已获得偏向锁的线程,并且把它持有的锁升级为轻量级锁(这个操作需要等到全局安全点,也就是没有线程在执行字节码)才执行,这个直接升级是因为必定在这个时刻有多个线程在抢锁!
2、如果是已偏向状态(偏向锁不会主动释放锁),检查MarkWord中存储的ThreadID是否等于当前线程的ThreadID
① 如果相等,直接执行同步代码;
②如果不相等,就会进行偏向锁撤销(或重新偏向,或锁升级);
2、轻量级锁
“轻量级”是相对于使用操作系统互斥量来实现的传统锁而言的。但是,首先需要强调一点的是,轻量级锁并不是用来代替重量级锁的,它的本意是在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用产生的性能消耗。在解释轻量级锁的执行过程之前,先明白一点,轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的情况,如果存在同一时间访问同一锁的情况,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。
轻量级锁的加锁过程:
- 判断当前对象是否处于无锁状态(hashcode、0、01),若是,则JVM首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间,用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝(官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀,即Displaced Mark Word);否则执行步骤(3);
- JVM利用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针,如果成功表示竞争到锁,则将锁标志位变成00(表示此对象处于轻量级锁状态),执行同步操作;如果失败则执行步骤(3);
- 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,锁标志位变成10,后面等待的线程将会进入阻塞状态;
解锁的过程:
- 通过 CAS 操作尝试把线程中复制的 Displaced markd word 对象替换当前的 Mark Word;
- 如果替换成功,整个同步过程就完成了;
- 如果替换失败,说明有其他线程尝试过获取该锁(此时锁已经膨胀),那就要在释放锁的同时,唤醒被挂起的线程;
注解:上面之所以需要用CAS写回去,是因为不CAS的话,那人家膨胀了他也不知道!!!,而同样的道理,需要CAS将自己的线程ID写进对象的Mark word是防止别的线程拿到锁了他还不知知道;
十、锁优化
1、减少锁持有时间
只用在有线程安全要求的程序上加锁;
2、减小锁粒度
将大对象(这个对象可能会被很多线程访问),拆成小对象,大大增加并行度,降低锁竞争。降低了锁的竞争,偏向锁,轻量级锁成功率才会提高。最最典型的减小锁粒度的案例就是ConcurrentHashMap。
3、锁分离
最常见的锁分离就是读写锁 ReadWriteLock,根据功能进行分离成读锁和写锁,这样读读不互斥,读写互斥,写写互斥,即保证了线程安全,又提高了性能。读写分离思想可以延伸,只要操作互不响,锁就可以分离。比如LinkedBlockingQueue 从头部取出,从尾部放数据;
4、锁粗化
通常情况下,为了保证多线程间的有效并发,会要求每个线程持有锁的时间尽量短,即在使用完公共资源后,应该立即释放锁。但是,凡事都有一个度,如果对同一个锁不停的进行请求、同步和释放,其本身也会消耗系统宝贵的资源,反而不利于性能的优化 。
5、锁消除
锁消除是在编译器级别的事情。在即时编译器时,如果发现不可能被共享的对象,则可以消除这些对象的锁操作,多数是因为程序员编码不规范引起;
十一、锁的内存语义:
- 当线程释放锁时,Java内存模型会把线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中;
- 而当线程获取锁时,Java内存模型会把该线程对应的本地内存置为无效,从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取变量;
浙公网安备 33010602011771号