Java中的锁

TODO: AQS 源码分析

图引用自参考资料1

1. 乐观锁 VS 悲观锁

对于同一个数据的并发操作，悲观锁认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据，因此在获取数据的时候会先加锁，确保数据不会被别的线程修改。Java中，synchronized关键字和Lock的实现类都是悲观锁。

而乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据，所以不会添加锁，只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现，最常采用的是CAS算法（Compare And Swap，比较与交换），Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

因此：

  • 悲观锁适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。

  • 乐观锁适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。

CAS虽然很高效，但是它也存在三大问题，这里也简单说一下：

  1. ABA问题

    CAS需要在操作值的时候检查内存值是否发生变化，没有发生变化才会更新内存值。但是如果内存值原来是A，后来变成了B，然后又变成了A，那么CAS进行检查时会发现值没有发生变化，但是实际上是有变化的。ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号。

    JDK从1.5开始提供了AtomicStampedReference类来解决ABA问题，具体操作封装在compareAndSet()中。

    TODO 有关AtomicStampedReference的原理和使用方法

  2. 循环时间长开销大。

  3. 只能保证一个共享变量的原子操作

    对一个共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS是无法保证操作的原子性的。

2. 自旋锁 VS 适应性自旋锁

阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。

在许多场景中，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。

而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。

自旋锁的实现原理同样也是CAS，AtomicInteger中调用unsafe进行自增操作的源码中的do-while循环就是一个自旋操作，如果修改数值失败则通过循环来执行自旋，直至修改成功。

自适应意味着自旋的时间（次数）不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

3. synchronized 锁升级(无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁)

这四种锁是指锁的状态，专门针对synchronized的。

为什么Synchronized能实现线程同步？

一个Java对象是在堆内存中，由对象头（Header），实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）三部分组成。

synchronized是悲观锁，在操作同步资源之前需要给同步资源先加锁，这把锁就是存在Java对象头里的。

  1. 以Hotspot虚拟机为例，Hotspot的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。

    • Mark Word：默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

    • Klass Point：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

  2. Monitor可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描述为一个对象。每一个Java对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者Monitor锁。Monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联，同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。

偏向锁

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，所以为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。 当一个线程访问加了同步锁的代码块时，会在对象头中存储当前线程的 ID，后续这个线程进入和退出这段加了同步锁的代码块时，不需要再次加锁和释放锁。而是直接比较对象头里面是否存储了指向当前线程的线程ID。如果相等表示偏向锁是偏向于当前线程的，就不需要再尝试获得锁了。

偏向锁的获取

1、首先获取锁对象头中的 Mark Word，判断当前对象是否处于可偏向状态(即当前没有对象获得偏向锁)。 2、如果是可偏向状态，则通过CAS原子操作，把当前线程的ID写入到 MarkWord，如果CAS成功，表示获得偏向锁成功，会将偏向锁标记设置为1，且将当前线程的ID写入Mark Word；如果CAS失败则说明当前有其他线程获得了偏向锁，同时也说明当前环境存在锁竞争，这时候就需要将已获得偏向锁的线程中的偏向锁撤销掉(具体参考下面偏向锁的撤销)，并升级为轻量级锁。 3、如果当前线程是已偏向状态，需要检查Mark Word中的ThreadID是否和自己相等，如果相等则不需要再次获得锁，可以直接执行同步代码块，如果不相等，说明当前偏向的是其他线程，需要撤销偏向锁并升级到轻量级锁。

偏向锁的撤销

偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（即在这个时间点上没有正在执行的字节码），然后会暂停拥有偏向锁的线程，并检查持有偏向锁的线程是否活着，主要有以下两种情况：

如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态。 如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程(重偏向需要满足批量重偏向的条件)，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁。 最后唤醒暂停的线程。

轻量级锁

轻量级锁,一般用于两个线程在交替使用锁的时候，由于没有同时抢锁，属于一种比较和谐的状态，就可以使用轻量级锁。

线程在执行同步代码块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用 CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

重量级锁

当轻量级锁膨胀到重量级锁之后，意味着线程只能被挂起阻塞来等待唤醒了。每一个对象中都有一个Monitor监视器，而Monitor依赖操作系统的 MutexLock(互斥锁)来实现的, 线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能。 monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。而且当一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。我们可以简单的理解为，在加重量级锁的时候会执行monitorenter指令，解锁时会执行monitorexit指令。

synchronized 锁升级

锁升级就是lock状态从正常无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁的过程

  1. 初期锁对象刚创建时，还没有任何线程来竞争，锁状态01，偏向锁标识位是0（无线程竞争它）。

  2. 当有一个线程来竞争锁时，先用偏向锁，表示锁对象偏爱这个线程，这个线程要执行这个锁关联的任何代码，不需要再做任何检查和切换，这种竞争不激烈的情况下，效率非常高。

  3. 当有两个线程开始竞争这个锁对象，情况发生变化了，锁会升级为轻量级锁，两个线程公平竞争，哪个线程先占有锁对象并执行代码，锁对象的Mark Word就执行哪个线程的栈帧中的锁记录。轻量级锁在加锁过程中，用到了自旋锁。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。

  4. 如果竞争的这个锁对象的线程更多，导致了更多的切换和等待，JVM会把该锁对象的锁升级为重量级锁，这个就叫做同步锁，这个锁对象Mark Word再次发生变化，会指向一个监视器对象，这个监视器对象用集合的形式，来登记和管理排队的线程。monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。Monitor依赖操作系统的 MutexLock(互斥锁)来实现的, 线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能。

具体可参考synchronized锁升级原理分析

锁 优点 缺点 适用场景
偏向锁 加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步代码块仅存在纳秒级差距 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销消耗 适用于只有一个线程访问同步代码块场景
轻量级锁 竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度 如果始终得不到锁，使用自旋会消耗CPU 追求响应时间；同步代码块执行时间非常短
重量级锁 线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU 线程阻塞，响应时间缓慢 追求吞吐量；同步代码块执行时间较长

4. 公平锁 VS 非公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

5. 可重入锁 VS 非可重入锁

可重入锁又名递归锁，是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，再进入该线程的内层方法会自动获取锁（前提锁对象得是同一个对象或者class），不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入锁，可重入锁的一个优点是可一定程度避免死锁。

原理：AQS中维护了一个同步状态status来计数重入次数

在ReentrantLock中虽然有公平锁和非公平锁两种，但是它们添加的都是独享锁。根据源码所示，当某一个线程调用lock方法获取锁时，如果同步资源没有被其他线程锁住，那么当前线程在使用CAS更新state成功后就会成功抢占该资源。而如果公共资源被占用且不是被当前线程占用，那么就会加锁失败。所以可以确定ReentrantLock无论读操作还是写操作，添加的锁都是都是独享锁。

6. 独享锁 VS 共享锁

独享锁也叫排他锁，是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程T对数据A加上排它锁后，则其他线程不能再对A加任何类型的锁。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。JDK中的synchronized和JUC中Lock的实现类就是互斥锁。

共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程T对数据A加上共享锁后，则其他线程只能对A再加共享锁，不能加排它锁。获得共享锁的线程只能读数据，不能修改数据。

独享锁与共享锁也是通过AQS来实现的，通过实现不同的方法，来实现独享或者共享。

参考资料

  1. 不可不说的Java“锁”事 - 美团技术团队 (meituan.com)

  2. Java多线程系列--“JUC锁”01之 框架 - 如果天空不死 - 博客园 (cnblogs.com)

  3. Java 对象、对象头mark word、锁升级、对象占内存大小 - 掘金 (juejin.cn)

  4. 【并发编程系列2】synchronized锁升级原理分析(偏向锁-轻量级锁-重量级锁)_双子孤狼的博客-CSDN博客

  5. 并发编程_双子孤狼的博客-CSDN博客

posted @ 2023-06-18 01:07  Yeahchen  阅读(141)  评论(0)  编辑  收藏  举报