2. 多线程 synchronized

带我姑娘走出平房
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简介

synchronized是java的元老级角色，现在还有很多人称呼他为重量级锁。在1.6之后，对其优化后，现在没那么重了。
synchronized 是支持原子性和可见性。
可见性：
1)线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中。
2)线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使得使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（注意，加锁与解锁是同一把锁）
由于syncronized可以保证原子性及可见性，变量只要被syncronized修饰，就可以放心的使用

锁对象

在java代码中使用synchronized可是使用在代码块和方法中，根据Synchronized用的位置可以有这些使用场景：

image.png

  • 一个同步方法可以调用另外一个同步方法，一个线程已经拥有某个对象的锁，再次申请的时候仍然会得到该对象的锁。也就是说synchronized获得的锁是可重入的。
  • 程序在执行过程中，如果出现异常，默认情况锁会被释放

锁的实现

当一个线程试图访问同步代码块时，它首先得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁，那锁存在哪里，锁里到底是什么
JVM规范中有synchronized实现原理，jVM是基于进入和退出Moitor对象来实现方法同步和代码块同步

public class SynchronizedDemo {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
        }
        method();
    }
    private static void method() {
    }
}

image.png 执行同步代码块后首先要先执行monitorenter指令，退出的时候monitorexit指令。
从上图中就可以看出，执行静态同步方法的时候就只有一条monitorexit指令，并没有monitorenter获取锁的指令。这就是锁的重入性，即在同一锁程中，线程不需要再次获取同一把锁。Synchronized先天具有重入性。每个对象拥有一个计数器，当线程获取该对象锁后，计数器就会加一，释放锁后就会将计数器减一。

java对象头

整体的对象头中存储有，markWord、klass、data（实例数据）、padding（对齐填充） image.png

  • Mark Word ：Mark Word在64位虚拟机下，也就是占用64位大小即8个字节的空间 image.png
  • klass： klass pointer的存储内容是一个指针，指向了其类元数据的信息，jvm使用该指针来确定此对象是类的哪个实例。 image.png
  • data：代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来
  • 对齐填充：对齐填充并不是必然存在的，也没有特殊的含义，它仅仅起着占位符的作用。就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。

锁升级

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、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级，但是不能降级。这种策略就是为了提高锁的获得和释放的效率。

偏向锁

  • 大多数情况下，锁不仅不存在竞争，而且还是同意线程多次获得，为了代价更小而引入了偏向锁。 例如：StringBuffer的多次append，加来加去都是同个线程在执行append命令（一般情况下），OS在每次append时都要给该线程重复加锁解锁，这就很浪费了。
  • 当一个线程需要获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出锁时，不需要加锁和解锁。
  • 该线程在进入锁时，测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程
  • 偏向锁的撤销：偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当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。
  • 偏向锁在Java 6和Java 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

image.png

轻量级锁

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。因为阻塞线程需要CPU从用户态转到内核态，代价较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失了，因此这个时候就干脆不阻塞这个线程，让它自旋这等待锁释放。

  • 加锁：先在当前线程的栈帧中创建由于存储记录的空间，并将对象头的markword复制到锁记录中。然后线程尝试使用CAS将对象头中的markWord替换为指向锁记录的指针。成功则获取锁，失败则表示其他线程竞争，当前线程自旋来继续获取锁。
  • 解锁：CAS操作对象头，成功则表示没有竞争发生，失败则存在竞争，锁会膨胀重量级锁。

如果在线程1复制对象头的同时（在线程1CAS之前），线程2也准备获取锁，复制了对象头到线程2的锁记录空间中，但是在线程2CAS的时候，发现线程1已经把对象头换了，线程2的CAS失败，那么线程2就尝试使用自旋锁来等待线程1释放锁。
但是如果自旋的时间太长也不行，因为自旋是要消耗CPU的，因此自旋的次数是有限制的，比如10次或者100次，如果自旋次数到了线程1还没有释放锁，或者线程1还在执行，线程2还在自旋等待，这时又有一个线程3过来竞争这个锁对象，那么这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁把除了拥有锁的线程都阻塞，防止CPU空转。

  • 轻量级锁升级重量级锁 jdk 1.6 中，当自旋超过10次或者等待的线程超过你CPU个数的二分之一，则升级成重量级锁。 通过参数可调整。自旋次数的默认值是10，用户可以通过-XX:PreBlockSpin来更改。
    1.6之后，引入自适应自旋锁，JDK1.6中引入了自适应的自旋锁。 自适应意味着自旋的时间不再是固定的， 而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上, 自旋等待刚好成功获得锁， 并且在持有锁的线程在运行中， 那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能获得锁， 进而它将允许自旋等待相对更长的时间。

image.png

重量级锁

重量级锁是由OS调度的，有竞争锁队列和等待队列，每次抢锁，失败的线程全部立即wait，等锁释放后全部唤醒。虽然被阻塞的线程不会消耗cpu，但线程的切换是需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多CPU时间的

image.png

优缺点

锁状态优点缺点适用场景
偏向锁加锁解锁无需额外的消耗，和非同步方法时间相差纳秒级如果竞争线程多，纳秒会带来额外的锁撤销的消耗基本没有线程竞争锁的同步场景
轻量级锁竞争的线程不会阻塞，使用自旋，提高程序的响应速度如果一直不能获取锁，长时间的自旋会造成CPU消耗适用于少量线程竞争锁对象，且线程持有锁时间不长，最求响应速度的场景
重量级锁线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU线程阻塞，响应时间长很多线程竞争锁，且锁持有的时间长，追求吞吐量的场景

锁升级主要分为偏向锁 - 轻量级锁 - 重量级锁三层，偏向锁、轻量级锁是在Java内部的优化，属于所谓的用户态，而重量级锁则是向操作系统申请，属于内核态。在锁竞争不激烈的时候由jvm自己解决肯定性能是最好的，但是jvm通过自旋方式解决会消耗CPU性能，所以在锁竞争激烈的情况下重量级锁性能更好。

锁粗化和锁消除（两个不重要的锁优化）

  • 锁粗化就是将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁，避免频繁的加锁解锁操作。
  • Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，经过逃逸分析，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间
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