Java并发机制及锁的实现原理

2023-01-07 15:13:48

同步的基本思想

为了保证共享数据在同一时刻只被一个线程使用，我们有一种很简单的实现思想，就是

在共享数据里保存一个锁，当没有线程访问时，锁是空的。

当有第一个线程访问时，就在锁里保存这个线程的标识并允许这个线程访问共享数据。

在当前线程释放共享数据之前，如果再有其他线程想要访问共享数据，就要等待锁释放。

Jvm同步的实现

jvm中有以下三种锁(由上到下越来越“重量级”)：

重量级锁

Synchronized 原理

我们直接参考JVM规范中描述：每个对象有一个监视器锁（monitor）。

当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：

1、如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。

2、如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.

3.如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。

Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，

这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

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互斥锁（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互斥锁（Mutex Lock）所实现的锁我们称之为“重量级锁”。

轻量级锁

　　锁的状态总共有四种：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。

JDK 1.6中默认是开启偏向锁和轻量级锁的，我们也可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。

轻量级锁的核心思想就是“被加锁的代码不会发生并发，如果发生并发，那就膨胀成重量级锁(膨胀指的锁的重量级上升，一旦升级，就不会降级了)”。

轻量级锁依赖了一种叫做CAS(compare and swap)的操作。参考http://ifeve.com/compare-and-swap/

术语定义

术语

英文

说明

CAS

Compare and Swap

比较并设置。

用于在硬件层面上提供原子性操作。

在 Intel 处理器中，比较并交换通过指令cmpxchg实现。比较是否和给定的数值一致，如果一致则修改，不一致则不修改。

偏向锁

根据轻量级锁的实现，我们知道虽然轻量级锁不支持“并发”，遇到“并发”就要膨胀为重量级锁，但是轻量级锁可以支持多个线程以串行的方式访问同一个加锁对象。

比如A线程可以先获取对象o的轻量锁，然后A释放了轻量锁，这个时候B线程来获取o的轻量锁，是可以成功获取得，以这种方式可以一直串行下去。

之所以能实现这种串行，是因为有一个释放锁的动作。那么假设有一个加锁的java方法，这个方法在运行的时候其实从始至终只有一个线程在调用，但是每次调用完却也要释放锁，下次调用还要重新获得锁。

那么我们能不能做一个假设：“假设加锁的代码从始至终就只有一个线程在调用，如果发现有多于一个线程调用，再膨胀成轻量级锁也不迟”。这个假设，就是偏向锁的核心思想。

偏向锁依赖了一种叫做CAS(compare and swap)的操作。

总结

　　本文重点介绍了JDk中采用轻量级锁和偏向锁等对Synchronized的优化，

但是这两种锁也不是完全没缺点的，比如竞争比较激烈的时候，不但无法提升效率，反而会降低效率，因为多了一个锁升级的过程，这个时候就需要通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。下面是这几种锁的对比：

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。