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Java锁原理- 无锁 vs 偏向锁 vs 轻量级锁 vs 重量级锁

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并发编程精华问答(十)| Java锁介绍 – 无锁 vs 偏向锁 vs 轻量级锁 vs 重量级锁 

无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁

偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问,那么该线程会自动获取锁。降低获取锁的代价。
轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候,被另一个线程所访问,偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁,不会阻塞,提高性能。
重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候,另一个线程虽然是自旋,但自旋不会一直持续下去,当自旋一定次数的时候,还没有获取到锁,就会进入阻塞,该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞,性能降低。

这四种锁是指锁的状态,专门针对synchronized的。在介绍这四种锁状态之前还需要介绍一些额外的知识。
首先为什么Synchronized能实现线程同步?在回答这个问题之前我们需要了解两个重要的概念:“Java对象头”、“Monitor”。

01

Java对象头

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,而Java对象头又是什么呢?
我们以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。

02

Monitor

 

Monitor可以理解为-个同步工具或-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。

03

为什么Synchronized能实现线程同步?

synchronized通过Monitor来实现线程同步,Monitor是依赖于底层的操作系统的MutexLock (互斥锁)来实现的线程同步。
如同我们在自旋锁中提到的“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”。这种方式就是synchronized最初实现同步的方式,这就是JDK 6之前synchronized效率低的原因。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 6中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗,引入了“偏向锁”“轻量级锁”。
所以目前锁一共有4种状态,级别从低到高依次是:无锁、偏向锁、轻量级锁重量级锁锁状态只能升级不能降级。

通过上面的介绍,我们对synchronized的加锁机制以及相关知识有了一个了解,那么下面我们给出四种锁状态对应的的Mark Word内容,然后再分别讲解四种锁状态的思路以及特点:

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01

无锁

无锁没有对资源进行锁定,所有的线程都能访问并修改同一个资源,但同时只有一个线程能修改成功。

无锁的特点就是修改操作在循环内进行,线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出,否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值,必定会有一个线程能修改成功,而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁,但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

02

偏向锁

偏向锁指一段同步代码一直被一个线程所访问,那么该线程会自动获取锁,降低获取锁的代价。在大多数情况下,锁总是由同一线程多次获得,不存在多线程竞争,所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能偏向锁是 JDK6 时加入的一种锁优化机制在无竞争的情况下把整个同步都消除掉,连 CAS 操作都不去做了。偏是指偏心,它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程,如果在接下来的执行过程中,该锁一直没有被其他的线程获取,则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作(例如加锁、解锁及对 Mark Word 的更新操作等)。优点:把整个同步都消除掉,连 CAS 操作都不去做了,优于轻量级锁。

缺点:如果程序中大多数的锁都总是被多个不同的线程访问,那偏向锁就是多余的。

 

当一个线程访问同步代码块并获取锁时,会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁,而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。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原子指令即可。

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无锁(标志位为“01”)或轻量级锁(标志位为“00”)的状态。

偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁:-XX:-UseBiasedLocking=false,关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

 

03

轻量级锁

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候,被另外的线程所访问,偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁,不会阻塞,从而提高性能轻量级锁是 JDK6 时加入的一种锁优化机制轻量级锁是在无竞争的情况下使用 CAS 操作去消除同步使用的互斥量。轻量级是相对于使用操作系统互斥量来实现的重量级锁而言的。轻量级锁在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。如果出现两条以上的线程争用同一个锁的情况,那轻量级锁将不会有效,必须膨胀为重量级锁。优点:如果没有竞争,通过 CAS 操作成功避免了使用互斥量的开销。

缺点:如果存在竞争,除了互斥量本身的开销外,还额外产生了 CAS 操作的开销,因此在有竞争的情况下,轻量级锁比传统的重量级锁更慢。

 

在代码进入同步块的时候,如果同步对象锁状态为无锁状态(锁标志位为“01”状态,是否为偏向锁为“0”),虚拟机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,然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。

拷贝成功后,虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针,并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。

如果这个更新动作成功了,那么这个线程就拥有了该对象的锁,并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”,表示此对象处于轻量级锁定状态。

如果轻量级锁的更新操作失败了,虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧,如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁,那就可以直接进入同步块继续执行,否则说明多个线程竞争锁。

若当前只有一个等待线程,则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数,或者一个线程在持有锁,一个在自旋,又有第三个来访时,轻量级锁升级为重量级锁。

 

04

重量级锁

升级为重量级锁时,锁标志的状态值变为“10”,此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针,此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。重量级锁是一种称谓:synchronized 是通过对象内部的一个叫做监视器锁(monitor)来实现的。监视器锁本身依赖底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现。操作系统实现线程的切换需要从用户态切换到核心态,成本非常高。这种依赖于操作系统 Mutex Lock来实现的锁称为重量级锁。为了优化 synchonized 引入了轻量级锁,偏向锁。Java 中的重量级锁:synchronized。

整体的锁状态升级流程如下:

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综上:

- 偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题,避免执行CAS操作。

- 轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题,避免线程阻塞和唤醒而影响性能。

- 重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

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