原创

【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)

初识 synchronized

在并发编程中,synchronized对我们来说并不陌生,我们都知道,当多个线程并行的情况下,程序是不安全的,这个不安全主要发生在共享变量的不安全,我们通过一个例子来说明:

package com.zwx.concurrent;

public class TestSynchronized {
    private static int count;

    public static void increment(){
        try {
            Thread.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        count++;

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i=0;i<1000;i++){
            new Thread(()->TestSynchronized.increment()).start();
        }
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println("结果:" + count);
    }
}

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这里的输出结果我们预期是1000,然而实际上并不一定会输出1000,产生这种状况的原因是存在如下场景:
1、线程1获取count为0,这时候他去执行count++(非原子操作)
2、线程2又去获取count,这时候因为线程A还没有返回结果,所以依然获取到0
3、线程1执行count++后得到count=1,写回内存
4、线程2执行count++后得到count=1,写回内存
5、线程3去获取count,这时候获取到count为1,然而实际上已经执行过2次count++操作了
假如线程是按照上面的1-5个步骤执行的话,就会导致最后的结果不会输出1000,那么如何解决这个问题呢?就是在increment()方法上加上synchronized关键字

synchronized 用法

synchronized 有三种方式来加锁,分别是:

  • 修饰实例方法,作用于当前实例加锁,进入同步代码前要获得当前实例的锁
public synchronized void test(){
        System.out.println("修饰实例方法");
    }
  • 修饰静态方法,作用于当前类对象加锁,进入同步代码前要获得当前类对象的锁
public static synchronized void test2(){
        System.out.println("修饰静态方法");
    }
  • 修饰代码块,指定加锁对象,对给定对象加锁,进入同步代码库前要获得给定对象的锁
public void test3(){
        synchronized (this){
            System.out.println("修饰代码块");
        }
    }

锁是如何存储的

我们每个人在学习java中接触到的最多的一句话之一我想肯定是:一切皆对象。锁就是一个对象,那么这个对象里面的结构是怎么样的呢,锁对象里面都保存了哪些信息呢?
在Hotspot 虚拟机中,对象在内存中的存储布局,可以分为三个区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)、对齐填充(Padding)。synchronized用的锁是存在Java对象头里的,Java对象头里面包含两部分信息:
第一部分官方称之为“Mark Word” ,用于存储自身的运行时数据,如:HashCode,GC分代年龄,锁标记、偏向锁线程ID等;第二部分是类型指针,即对象指向它的类元信息,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例(如果java对象是一个数组,那么对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据)
到这里我们就知道了,锁是记录在对象头中的“Mark Word”,那么“Mark Word”又是如何存储锁的信息的呢?
在32位虚拟机中,“Mark Word”存储结构如下图:
在这里插入图片描述
在64位虚拟机中,“Mark Word”存储结构如下图:
在这里插入图片描述

synchronized 锁升级

在多线程并发编程中synchronized 一直是元老级角色,很多人都会称呼它为重量级锁。但是随着Java SE 1.6 对synchronized 进行了各种优化之后,有些情况下它就并不那么重,Java SE 1.6 中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁。
在Java SE 1.6中,锁一共有4种状态,级别从低到高依次是:无锁状态偏向锁状态轻量级锁状态重量级锁状态,这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。至于锁的降级并没有一个标准,在达到一定的苛刻条件之后可以进行降级,但是一般情况我们可以简单的认为锁不可以降级,这里不做过多的叙述。

偏向锁

HotSpot的作者经过研究发现,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:

  1. 如果线程不处于活动状态,则将对象头设置成无锁状态。
  2. 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。

偏向锁的批量重偏向

一个线程创建了大量对象而且执行了同步操作后另一个线程又来将这些对象作为锁对象进行操作,并且达到阈值,此时就会发生偏向锁重偏向的操作(除了这种情况,其他情况只有有线程来竞争锁,则偏向锁状态就结束了)。
-XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold 为重偏向阈值JVM参数,默认20,可以通过-XX:+PrintFlagsFinal打印出默认参数,接下来我们通过一个示例来演示一下批量重偏向:

<dependency>
     <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
     <artifactId>jol-core</artifactId>
     <version>0.10</version>
 </dependency>
package com.zwx.concurrent;

import com.zwx.model.User;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class BiasedLockDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread.sleep(5000);//默认延迟4s才会开启偏向锁,休眠5s确保开启偏向锁
        
        List<User> list = new ArrayList<>();
        new Thread(()->{
            for (int i=0;i<20;i++){
                //这里必须要new不同的对象,不能共用同一个对象
                User user = new User();//只是一个空对象
                synchronized (user){
                    list.add(user);
                    System.out.println("t1线程第" + (i+1) + "对象:" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
                }
            }
        },"t1").start();

        try {
            Thread.sleep(10000);//确保t1创建对象完毕
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("------------------------------------------------------");
        new Thread(()->{
            for (int j=0;j<20;j++){
                User user = list.get(j);
                synchronized (user){
                    System.out.println("t2线程第" + (j+1) + "对象:" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
                }
            }
        },"t2").start();
    }
}

运行结果部分截图(t1线程肯定是101,就不截图了,t2前面19个都是000,第20个达到阈值了,发生了重偏向):
101三位数说明:
第一位:0-表示非偏向 1-表示偏向
后两位:00-表示轻量级锁 01-表示偏向锁 10表示重量级锁
在这里插入图片描述
当然,有批量重偏向,也有批量撤销,在这里就不做过多叙述,以后有时间了可以单独更深入的写一写,感兴趣的可以关注留意!

偏向锁及撤销流程图

在这里插入图片描述

偏向锁注意事项

偏向锁在Java SE 1.6和Java SE 1.7里是默认启用的,但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活,如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟:-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下都处于竞争状态,可以通过JVM参数关闭偏向锁:-XX:- UseBiasedLocking=false,那么程序默认会进入轻量级锁状态。
如果我们的应用中大多数情况存在线程竞争,那么建议是关闭偏向锁,因为开启反而会因为偏向锁撤销操作而引起更多的资源消耗

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。

轻量级锁加锁

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。

轻量级锁解锁

轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作将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

轻量级锁及膨胀流程图

在这里插入图片描述

自旋锁

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。
为什么要采用自旋等待呢
因为绝大多数情况下线程获得锁和释放锁的过程都是非常短暂的,自旋一定次数之后极有可能碰到获得锁的线程释放锁,所以,轻量级锁适用于那些同步代码块执行很快的场景,这样,线程原地等待很短的时间就能够获得锁了。
注意:锁在原地循环等待的时候,是会消耗CPU资源的。所以自旋必须要有一定的条件控制,否则如果一个线程执行同步代码块的时间很长,那么等待锁的线程会不断的循环反而会消耗CPU资源。默认情况下锁自旋的次数是 10 次,可以使用-XX:PreBlockSpin参数来设置自旋锁等待的次数。

自适应自旋

在 JDK1.7 开始,引入了自适应自旋锁,修改自旋锁次数的JVM参数被取消,虚拟机不再支持由用户配置自旋锁次数,而是由虚拟机自动调整。自适应意味着自旋的次数不是固定不变的,而是根据前一次在同一个锁上自旋的时间以及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上,自旋等待刚刚成功获得过锁,并且持有锁的线程正在运行中,那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功,进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁,自旋很少成功获得过,那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程,直接阻塞线程,避免浪费处理器资源。

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。

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

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总结

synchronized可以解决并发编程中的三大问题:原子性可见性有序性,虽然JDK对其做了优化,有些时候并不那么重了,但是在某些场景中,我们可以使用volatile关键字代替synchronized,如果volatile变量修饰符使用恰当的话,它比synchronized的使用和执行成本更低,因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

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