jUC中的锁-编程知识

jUC中的锁

news/2024/9/21 8:24:30/文章来源:https://www.cnblogs.com/baihualiaoluan/p/18354123

在JUC中可以使用synchronized关键字进行加锁
如下所示

Object object = new Object();
synchronized (object){
//            TODO
}

synchronized关键字所加的锁是逐步升级的，顺序是

无锁-> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁、

随着锁等级的提高，所带来的消耗也会越大。

在介绍锁直接之前，我们需要先引入一些概念。
在java中，对象由对象头+实例数据+填充数据(可选)组成。而对象头=Marklass+KClass+Body。其中Klass被用来存储对象指向类元数据的指针，虚拟机通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。MarkWord则用来存储一些对象自身运行时数据，根据机器不同有32位和64位之分。以64位为例，它在不同锁状态下的结构如下所示
JUC-Monitor-MarkWord结构64位

下面将逐个介绍这些锁

偏向锁

首先是偏向锁，偏向锁的思想是偏向于让第一个获取锁对象的线程，这个线程之后重新获取该锁不再需要同步操作。

偏向锁是默认开启的，并且是有延迟的，不会在程序启动时默认生效。原因是在刚开始执行代码时，会有好多线程来抢锁，如果开偏向锁效率反而降低。

使用jvm参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 可以禁用掉延迟
使用jvm参数 -XX:-UseBiasedLocking 可以禁用掉偏向锁

当锁对象第一次被线程获得进入偏向状态时，会使用CAS操作将线程ID（53位）记录到Markword中而且Markwod中的biased_lock=1 锁标志位会变成01。也就是MarkWord的后三位会由正常状态下的001变成101。如果 CAS 操作成功，这个线程以后进入这个锁相关的同步块，查看这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，就不需要再进行任何同步操作。当有其他线程来竞争锁对象时，偏向锁就会被撤销。

偏向锁的撤销

当锁对象的hashcode被调用后，偏向锁机会被撤销，原因是在markword中记录线程ID的字段占用了hashcode的字段（在未偏向时使用hashcode会导致直接成为轻量级锁，在已偏向时调用hashcode会直接升级为重量级锁）。
当有其他线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
调用 wait/notify时，notify会升级为轻量级锁，notify则会升级为重量级锁。
批量撤销如果对象被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID
批量重偏向当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，JVM 会觉得是不是偏向错了，于是在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
批量撤销当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，JVM 会觉得自己确实偏向错了，根本就不该偏向，于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

轻量级锁

当一个对象有多个对象要加锁，但是时间是错开的，JVM会使用轻量级锁来优化
轻量级锁在没有竞争时（锁重入时），每次重入仍然需要执行 CAS 操作，Java 6 才引入的偏向锁来优化。

加锁过程

创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，存储锁定对象的 Mark Word
让锁记录中 Object reference 指向锁住的对象，并尝试用 CAS 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
如果 CAS 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00（轻量级锁），表示由该线程给对象加锁
如果CAS 失败则有两种情况
- 一是锁重入添加一条 Lock Record 作为重入的计数
- 二是其他线程已经持有该对象的轻量级锁这时表明存在竞争会将轻量级锁升级为重量级锁。

解锁过程

如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减 1
如果锁记录的值不为 null，这时使用 CAS 将 Mark Word 的值恢复给对象头
- 成功，则解锁成功
- 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

重量级锁

当发生多个线程同时竞争时，轻量级锁就会升级为重量级锁，重量级锁的实现依赖于Monitor

Montior

Monitor 被翻译为监视器或管程。每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，Monitor 也是 class，其实例存储在堆中，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针。
Montior由Owner EntryList WaitSet三部分组成

轻量级锁升级（锁膨胀）

在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，可能是其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁

当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程：为 Object 对象申请 Monitor 锁，通过 Object 对象头获取到持锁线程，将 Monitor 的 Owner 置为 Thread-0，将 Object 的对象头指向重量级锁地址，然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED