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Java多线程synchronized关键字引出的多种锁

u4142269 2019-07-06 18:36 288 查看 https://my.oschina.net/u/41422

前言

Java 中的 synchronized关键字可以在多线程环境下用来作为线程安全的同步锁。本文不讨论 synchronized 的具体使用,而是研究下synchronized底层的锁机制,以及这些锁分别的优缺点。

一、synchronized机制

synchronized关键字是JAVA中常用的同步功能,提供了简单易用的锁功能。 synchronized有三种用法,分别为:

  • 用在普通方法上,能够锁住当前对象。
  • 用在静态方法上,能够锁住类
  • 用在代码块上,锁住的是synchronized()里的对象

在JDK6之前,synchronized使用的是重量级锁制,在之后synchronized加入了锁膨胀机制,显著提升了synchronized关键字的效率。

基于synchronized关键字,我们来了解下几种类别的锁,并且讲解synchronized的锁膨胀机制。

synchronized锁是非公平锁。并且一个被synchronized锁住的对象或类,就是一把锁。

另外一提,所有锁都是存储在Java对象头里的,Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode,分代年龄和锁标记位。也就是说Mark Word记录了锁的状态

二、锁膨胀机制与几类锁

锁膨胀是不可逆的

2.1 偏向锁

synchronized在JDK1.6以后默认开启偏向锁synchronized最初都是偏向锁

表现:一个线程获取锁成功后,会在对象头里记录线程ID,以后该线程获取和释放锁都没有任何花费。(因为该锁已经被绑定在该线程上了,且在膨胀前不会改变),如果其他线程尝试获取这个锁,偏向锁将会膨胀为轻量锁

优点:在只有一个线程使用锁的时候获取和退出锁没有任何花费

缺点:锁竞争激烈会很快升级为轻量锁,那么维持偏向锁的过程就是在浪费计算机资源。(不过因为偏向锁本身就很轻量,因此浪费的资源并不多)

小结:只有一个线程使用锁的情况下,synchronized使用的锁为偏向锁。 如果锁竞争激烈,可以通过配置JDK禁用偏向锁

2.2 轻量锁

一把锁不止一个线程使用,则偏向锁膨胀为轻量锁

表现:线程获取轻量锁时,会直接用CAS修改对象头里锁的记录,如果修改失败,代表此时锁存在多个线程的竞争,轻量锁将会膨胀为重量锁

优点:在线程之间使用锁不存在竞争时,一次CAS操作就能获取和退出锁

缺点:与偏向锁类似

小结:只要一把锁不止一个线程获取过,偏向锁就会膨胀为轻量锁

2.3 重量锁

一把锁存在多线程竞争,则轻量锁开始自旋,自旋一定次数后仍没获取锁,则膨胀为重量锁(存在竞争时,轻量锁虽然会先自旋,但是最终往往都会膨胀为重量锁)

表现:线程获取重量锁时,如果获取失败(即锁已被其他线程获取),则使用自适应自旋锁,自旋一定次数后仍没获取锁,则进入阻塞队列等待。

优点:未获取到的锁进入阻塞队列,节约CPU资源。(好吧感觉其实是没有啥优点)

缺点:重量锁是通过对象内部的监视器(monitor)实现,其中monitor的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,切换成本非常高。

小结:只要一把锁存在多线程竞争,轻量锁就会膨胀为重量锁

自旋锁

synchronized轻量锁重量锁,使用了自适应自旋锁进行性能优化

首先介绍自旋锁

表现:线程获取锁失败后,不会进入阻塞等待,而是再次尝试去获取锁,如此反复,直到获取到锁,或者自旋结束那么会阻塞等待。

解决问题:在某些场景下,线程持有锁的时间非常短。在线程获取锁失败后,如果线程进入阻塞将会带来线程上下文的切换,上下文切换的时间可能反而高于线程反复尝试获取锁的时间。 此时线程原地等待去重复获取锁。反而在性能上更有优势。

缺点:

  1. 单核CPU没有线程并行,反复尝试会导致进程无法继续运行。
  2. 重复尝试导致了CPU的占用,如果CPU资源紧张的话反而会性能下降
  3. 如果锁的竞争时间过长,不仅没有性能提升,还浪费了大量CPU资源。

优化:使用自适应自旋锁。自适应自旋锁会根据之前的锁获取记录,优化调整自旋时间,避免造成不必要的自旋。

三、具体synchronized流程

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标签:  Java JDK Mark CAS