并发学习(二) Synchronized关键字

Synchronized关键字

Java中的每一个对象都可以作为锁。

  • 对于同步方法,锁是当前实例对象。
  • 对于静态同步方法,锁是当前对象的Class对象。
  • 对于同步方法块,锁是Synchonized括号里配置的对象。

同步原理

JVM规范规定JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现,而方法同步是使用另外一种方式实现的,细节在JVM规范里并没有详细说明,但是方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。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。任何对象都有一个 monitor 与之关联,当且一个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。

锁的升级

Java的线程是映射到操作系统的原生线程上的,所以和原生线程一样,如果唤醒或者阻塞一个线程就需要操作系统的参与,由于需要进行系统调用,需要在用户态与内核态之间切换,这样切换会消耗大量的系统资源,因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间,专用的寄存器等,用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核,内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等,以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。

如果频繁进行线程的切换,则会消耗很多CPU时间,无论怎样这都不是一个很好的策略。synchronized会导致争用不到锁的线程进入阻塞状态,所以说它是java语言中一个重量级的同步操纵,被称为重量级锁。

Java SE1.6为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗,引入了“偏向锁”和“轻量级锁”,所以在Java SE1.6里锁一共有四种状态,无锁状态,偏向锁状态,轻量级锁状态和重量级锁状态(除了重量锁为悲观锁,其他为乐观锁),它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略,目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

关于 Markword

在介绍java锁之前,先说下什么是markword,markword是java对象数据结构中的一部分。

markword数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32bit和64bit,它的最后2bit是锁状态标志位,用来标记当前对象的状态,对象的所处的状态,决定了markword存储的内容,如下表所示:
1.png

32位虚拟机在不同状态下markword结构如下图所示:

2.png

偏向锁

偏向锁,顾名思义就是偏向一个线程的锁,在程序运行过程中,如果同步代码只有一个线程在运行,并不存在多个线程竞争时,这种情况下,会使用偏向锁

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加锁解锁开销,因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS操作,而偏向锁只需要在置换线程ID的时候依赖一次CAS操作。

如果在运行过程中,存在了多个线程竞争,此时持有偏向锁的线程会被挂起,并且JVM会消除偏向锁,将锁升级到轻量级锁

偏向锁的获取

  1. 访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1,锁标志位是否为01,确认为可偏向状态。
  2. 如果为可偏向状态,则测试线程ID是否指向当前线程,如果是,进入步骤5,否则进入步骤3。
  3. 如果线程ID并未指向当前线程,则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功,则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID,然后执行5;如果竞争失败,执行4。
  4. 如果CAS获取偏向锁失败,则表示有竞争。当到达全局安全点(safepoint)时获得偏向锁的线程被挂起,偏向锁升级为轻量级锁,然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。(撤销偏向锁的时候会导致stop the word)
  5. 执行同步代码。

注意:第四步中到达安全点safepoint会导致stop the word,时间很短。

偏向锁的释放:

偏向锁的撤销在上述第四步骤中有提到。偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁,线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有字节码正在执行),它会首先暂停拥有偏向锁的线程,判断锁对象是否处于被锁定状态,撤销偏向锁后恢复到未锁定(标志位为“01”)或轻量级锁(标志位为“00”)的状态。

偏向锁的适用场景:

始终只有一个线程在执行同步块,在它没有执行完释放锁之前,没有其它线程去执行同步块,在锁无竞争的情况下使用,一旦有了竞争就升级为轻量级锁,升级为轻量级锁的时候需要撤销偏向锁,撤销偏向锁的时候会导致stop the word操作;
在有锁的竞争时,偏向锁会多做很多额外操作,尤其是撤销偏向所的时候会导致进入安全点,安全点会导致stw,导致性能下降,这种情况下应当禁用。

轻量锁

轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前,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。

轻量级锁解锁

轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头,如果成功,则表示没有竞争发生。如果失败,表示当前锁存在竞争,锁就会膨胀成重量级锁。

因为自旋会消耗CPU,为了避免无用的自旋(比如获得锁的线程被阻塞住了),一旦锁升级成重量级锁,就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下,其他线程试图获取锁时,都会被阻塞住,当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程,被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

锁的优缺点对比

优点 缺点 适用场景
偏向锁 加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。 如果线程间存在锁竞争,会带来额外的锁撤销的消耗。 适用于只有一个线程访问同步块场景。
轻量级锁 竞争的线程不会阻塞,提高了程序的响应速度。 如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。 追求响应时间。同步块执行速度非常快。
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。同步块执行速度较长。

synchronized和lock的区别

  • 首先synchronized是java内置关键字,在jvm层面,Lock是个java类;

  • synchronized无法判断是否获取锁的状态,Lock可以判断是否获取到锁;

  • synchronized会自动释放锁(a 线程执行完同步代码会释放锁 ;b 线程执行过程中发生异常会释放锁),Lock需在finally中手工释放锁(unlock()方法释放锁),否则容易造成线程死锁;

  • 用synchronized关键字的两个线程1和线程2,如果当前线程1获得锁,线程2线程等待。如果线程1阻塞,线程2则会一直等待下去,而Lock锁就不一定会等待下去,如果尝试获取不到锁,线程可以不用一直等待就结束了;

  • synchronized的锁可重入、不可中断、非公平,而Lock锁可重入、可判断、可公平(两者皆可)

参考资料