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锁升级过程(偏向锁/轻量级锁/重量级锁)

锁的前置知识

如果想要透彻的理解java锁的来龙去脉,需要先了解锁的基础知识:锁的类型、java线程阻塞的代价、Markword。

锁的类型

锁从宏观上分类,分为悲观锁与乐观锁。

乐观锁

乐观锁是一种乐观思想,即认为读多写少,遇到并发写的可能性低。每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据,采取在写时先读出当前版本号,然后加锁操作(比较跟上一次的版本号,如果一样则更新),如果失败则要重复读-比较-写的操作。

java中的乐观锁基本都是通过CAS操作实现的,CAS是一种更新的原子操作,比较当前值跟传入值是否一样,一样则更新,否则失败。

悲观锁

悲观锁是就是悲观思想,即认为写多,遇到并发写的可能性高。每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在读写数据的时候都会上锁,这样别人想读写这个数据就会阻塞(block)直到拿到锁。

java中的悲观锁就是Synchronize、AQS框架下的锁则是先尝试CAS乐观锁去获取锁,获取不到才会转换为悲观锁,如:ReentrantLock。

线程阻塞的代价

java的线程是映射到操作系统原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入,需要在用户态与核心态之间切换,这种切换会消耗大量的系统资源。因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间,专用的寄存器等,用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核,内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等,以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。

  1. 如果线程状态切换是一个高频操作时,这将会消耗很多CPU处理时间;
  2. 如果对于那些需要同步的简单的代码块,获取锁挂起操作消耗的时间比用户代码执行的时间还要长,这种同步策略显然非常糟糕的。

synchronized会导致争用不到锁的线程进入阻塞状态,所以说它是java语言中一个重量级的同步操纵,被称为重量级锁。为了缓解上述性能问题【synchronized】,JVM从1.5开始,引入了轻量锁与偏向锁,默认启用了自旋锁,他们都属于乐观锁。

明确java线程切换的代价,是理解java中各种锁的优缺点的基础之一。

Mark Word

在介绍java锁之前,先说下什么是markword,markword是java对象数据结构中的一部分,要详细了解java对象的结构可以点击这里,这里只做markword的详细介绍,因为对象的markword和java各种类型的锁密切相关;

markword数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32bit和64bit,它的最后2bit是锁状态标志位,用来标记当前对象的状态,对象的所处的状态,决定了markword存储的内容,如下表所示:

状态标志位存储内容
未锁定01对象哈希码、对象分代年龄
轻量级锁定00指向锁记录的指针
膨胀(重量级锁定)10执行重量级锁定的指针
GC标记11空(不需要记录信息)
可偏向01偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄

32位虚拟机在不同状态下markword结构如下图所示:

这里写图片描述

了解了markword结构,有助于后面了解java锁的加锁解锁过程;

前面提到了java的4种锁,他们分别是重量级锁、自旋锁、轻量级锁和偏向锁。不同的锁有不同特点,每种锁只有在其特定的场景下,才会有出色的表现,java中没有哪种锁能够在所有情况下都能有出色的效率,引入这么多锁的原因就是为了应对不同的情况;

Java中的锁

偏向锁

Java偏向锁(Biased Locking)是Java6引入的一项多线程优化,它通过消除资源无竞争情况下的同步原语,进一步提高了程序的运行性能。

偏向锁,顾名思义它会偏向于第一个访问锁的线程,如果在运行过程中,同步锁只有一个线程访问,不存在多线程争用的情况,则线程是不需要触发同步的,这种情况下,就会给线程加一个偏向锁。 如果在运行过程中,遇到了其他线程抢占锁,则持有偏向锁的线程会被挂起,JVM会消除它身上的偏向锁,将锁恢复到标准的轻量级锁。

偏向锁获取过程

  1. 访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1,锁标志位是否为01,确认为可偏向状态。
  2. 如果为可偏向状态,则测试线程ID是否指向当前线程,如果是,进入步骤5,否则进入步骤3。
  3. 如果线程ID并未指向当前线程,则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功,则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID,然后执行5;如果竞争失败,执行4。
  4. 如果CAS获取偏向锁失败,则表示有竞争。当到达全局安全点(safepoint)时获得偏向锁的线程被挂起,偏向锁升级为轻量级锁,然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。(撤销偏向锁的时候会导致stop the world)
  5. 执行同步代码。

注意:第四步中到达安全点safepoint会导致stop the world,时间很短。

偏向锁获取过程

​ 偏向锁的撤销在上述第四步骤中有提到。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,线程不会主动去释放偏向锁。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未锁定(标志位为“01”)或轻量级锁(标志位为“00”)的状态。

偏向锁的适用场景

​ 始终只有一个线程在执行同步块,在它没有执行完释放锁之前,没有其它线程去执行同步块,在锁无竞争的情况下使用,一旦有了竞争就升级为轻量级锁,升级为轻量级锁的时候需要撤销偏向锁,撤销偏向锁的时候会导致stop the world操作; 在有锁的竞争时,偏向锁会多做很多额外操作,尤其是撤销偏向锁的时候会导致进入安全点,安全点会导致stw,导致性能下降,这种情况下应当禁用。

查看停顿–安全点停顿日志

要查看安全点停顿,可以打开安全点日志,通过设置JVM参数 -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime 会打出系统停止的时间,添加 -XX:+PrintSafepointStatistics -XX:PrintSafepointStatisticsCount=1 这两个参数会打印出详细信息,可以查看到使用偏向锁导致的停顿,时间非常短暂,但是争用严重的情况下,停顿次数也会非常多;

注意:安全点日志不能一直打开,只在问题排查时打开:

  1. 安全点日志默认输出到stdout,一是stdout日志的整洁性,二是stdout所重定向的文件如果不在/dev/shm,可能被锁。
  2. 对于一些很短的停顿,比如取消偏向锁,打印的消耗比停顿本身还大。
  3. 安全点日志是在安全点内打印的,本身加大了安全点的停顿时间。

如果在生产系统上要打开,再再增加下面四个参数:-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX: -DisplayVMOutput -XX:+LogVMOutput -XX:LogFile=/dev/shm/vm.log 打开Diagnostic(只是开放了更多的flag可选,不会主动激活某个flag),关掉输出VM日志到stdout,输出到独立文件,/dev/shm目录(内存文件系统)。

这里写图片描述 第一部分是时间戳,VM Operation的类型;

第二部分是线程概况,被中括号括起来【total: 安全点里的总线程数、initially_running: 安全点开始时正在运行状态的线程数、wait_to_block: 在VM Operation开始前需要等待其暂停的线程数】;

第三部分是到达安全点时的各个阶段以及执行操作所花的时间【spin:等待线程响应safepoint号召的时间、block:暂停所有线程所用的时间、sync:等于spin+block,这是从开始到进入安全点所耗的时间,可用于判断进入安全点耗时、cleanup:清理所用时间、vmop:真正执行VMOperation的时间】其中最重要的是vmop。

可见,那些很多但又很短的安全点,全都是RevokeBias, 高并发的应用会禁用掉偏向锁。

Jvm开启/关闭偏向锁

  • 开启偏向锁:-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
  • 关闭偏向锁:-XX:-UseBiasedLocking

轻量级锁

轻量级锁是由偏向锁升级来的,偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下,当第二个线程加入锁争用的时候,偏向锁就会升级为轻量级锁;

轻量级锁加锁过程

  1. 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,官方称之为 Displaced Mark Word。这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示:

    这里写图片描述
  2. 拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中;

  3. 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object mark word。如果更新成功,则执行步骤4,否则执行步骤5。

  4. 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”,即表示此对象处于轻量级锁定状态,这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示:

    这里写图片描述
  5. 如果这个更新操作失败了,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,轻量级锁就要膨胀为重量级锁,锁标志的状态值变为“10”,Mark Word中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 而当前线程便尝试使用自旋来获取锁,自旋就是为了不让线程阻塞,而采用循环去获取锁的过程。

轻量级锁释放过程

释放锁线程视角:由轻量锁切换到重量锁,是发生在轻量锁释放锁的期间,之前在获取锁的时候它拷贝了锁对象头的markword,在释放锁的时候如果它发现在它持有锁的期间有其他线程来尝试获取锁了,并且该线程对markword做了修改,两者比对发现不一致,则切换到重量锁。

因为重量级锁被修改了,所有display mark word和原来的markword不一样了。怎么补救?就是进入mutex前,compare一下obj的markword状态,确认该markword是否被其他线程持有。此时如果线程已经释放了markword,那么通过CAS后就可以直接进入线程,无需进入mutex,就这个作用。

尝试获取锁线程视角:如果线程尝试获取锁的时候,轻量锁正被其他线程占有,那么它就会修改markword,修改重量级锁,表示该进入重量锁了。

还有一个注意点:等待轻量锁的线程不会阻塞,它会一直自旋等待锁,并如上所说修改markword。

这就是自旋锁,尝试获取锁的线程,在没有获得锁的时候,不被挂起,而转而去执行一个空循环,即自旋。在若干个自旋后,如果还没有获得锁,则才被挂起,获得锁,则执行代码。

自旋锁

自旋锁原理非常简单,如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源,那么那些等待竞争锁的线程就不需要做内核态和用户态之间的切换进入阻塞挂起状态,它们只需要等一等(自旋),等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁,这样就避免用户线程和内核的切换的消耗。

但是线程自旋是需要消耗CPU的,说白了就是让CPU在做无用功,如果一直获取不到锁,那线程也不能一直占用CPU自旋做无用功,所以需要设定一个自旋等待的最大时间。如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间扔没有释放锁,就会导致其它争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁,这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态。

自旋锁的优缺点

:自旋锁尽可能的减少线程的阻塞,这对于锁的竞争不激烈,且占用锁时间非常短的代码块来说性能能大幅度的提升,因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起再唤醒的操作的消耗,这些操作会导致线程发生两次上下文切换!

:但是如果锁的竞争激烈,或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块,这时候就不适合使用自旋锁了,因为自旋锁在获取锁前一直都是占用cpu做无用功,占着茅坑又不拉屎,同时有大量线程在竞争一个锁,会导致获取锁的时间很长,线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗,其它需要CPU的线程又不能获取到cpu,造成cpu的浪费。所以这种情况下我们要关闭自旋锁;

自旋锁时间阈值

​ 自旋锁的目的是为了占着CPU的资源不释放,等到获取到锁立即进行处理。但是如何去选择自旋的执行时间呢?如果自旋执行时间太长,会有大量的线程处于自旋状态占用CPU资源,进而会影响整体系统的性能。因此自旋的周期选的额外重要!

​ JVM对于自旋周期的选择,jdk1.5这个限度是一定的写死的,在1.6引入了适应性自旋锁,适应性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定,基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间,同时JVM还针对当前CPU的负荷情况做了较多的优化:

  1. 如果平均负载小于CPUs则一直自旋;
  2. 如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋,则后来线程直接阻塞;
  3. 如果正在自旋的线程发现Owner发生了变化则延迟自旋时间(自旋计数)或进入阻塞;
  4. 如果CPU处于节电模式则停止自旋;
  5. 自旋时间的最坏情况是CPU的存储延迟(CPU A存储了一个数据,到CPU B得知这个数据直接的时间差);
  6. 自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异;

自旋锁的开启

JDK1.6中 -XX:+UseSpinning 开启;-XX:PreBlockSpin=10 为自旋次数; JDK1.7后,去掉此参数,由jvm控制;

重量级锁Synchronized

在JDK1.5之前都是使用synchronized关键字保证同步的,它可以保证方法或者代码块在运行时,同一时刻只有一个方法可以进入到临界区,同时它还可以保证共享变量的内存可见性。

  • 普通同步方法,锁是当前实例对象 ;
  • 静态同步方法,锁是当前类的class对象 ;
  • 同步方法块,锁是括号里面的对象;

Synchronized的实现

这里写图片描述

它有多个队列,当多个线程一起访问某个对象监视器的时候,对象监视器会将这些线程存储在不同的容器中。

  1. Contention List:竞争队列,所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中;
  2. Entry List:候选者队列 ,Contention List中那些有资格成为候选资源的线程被移动到Entry List中;
  3. Wait Set:阻塞队列,哪些调用wait方法被阻塞的线程被放置在这里;
  4. OnDeck:任意时刻,最多只有一个线程正在竞争锁资源,该线程被成为OnDeck;
  5. Owner:当前已经获取到所资源的线程被称为Owner;
  6. !Owner:当前释放锁的线程。

JVM每次从队列的尾部取出一个数据用于锁竞争候选者(OnDeck),但是并发情况下,ContentionList会被大量的并发线程进行CAS访问,为了降低对尾部元素的竞争,JVM会将一部分线程移动到EntryList中作为候选竞争线程。Owner线程会在unlock时,将ContentionList中的部分线程迁移到EntryList中,并指定EntryList中的某个线程为OnDeck线程(一般是最先进去的那个线程)。Owner线程并不直接把锁传递给OnDeck线程,而是把锁竞争的权利交给OnDeck,OnDeck需要重新竞争锁。这样虽然牺牲了一些公平性,但是能极大的提升系统的吞吐量,在JVM中,也把这种选择行为称之为“竞争切换”。

OnDeck线程获取到锁资源后会变为Owner线程,而没有得到锁资源的仍然停留在EntryList中。如果Owner线程被wait方法阻塞,则转移到WaitSet队列中,直到某个时刻通过notify或者notifyAll唤醒,会重新进去EntryList中。

处于ContentionList、EntryList、WaitSet中的线程都处于阻塞状态,该阻塞是由操作系统来完成的(Linux内核下采用pthread_mutex_lock内核函数实现的)。

Synchronized是非公平锁,在线程进入ContentionList时,等待的线程会先尝试自旋获取锁,如果获取不到就进入ContentionList,这明显对于已经进入队列的线程是不公平的,还有一个不公平的事情就是自旋获取锁的线程还可能直接抢占OnDeck线程的锁资源。

Synchronized锁的演变过程

  1. 检测Mark Word里面是不是当前线程的ID,如果是则表示当前线程处于偏向锁;
  2. 如果不是,则使用CAS将当前线程的ID替换Mard Word,如果成功则表示当前线程获得偏向锁,置偏向标志位1;
  3. 如果失败,则说明发生竞争,撤销偏向锁,进而升级为轻量级锁;
  4. 当前线程使用CAS将对象头的Mark Word替换为锁记录指针,如果成功,当前线程获得锁;
  5. 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;
  6. 如果自旋成功则依然处于轻量级状态;
  7. 如果自旋失败,则升级为重量级锁;

在所有的锁都启用的情况下线程进入临界区时会先去获取偏向锁,如果已经存在偏向锁了,则会尝试获取轻量级锁,启用自旋锁,如果自旋也没有获取到锁,则使用重量级锁,没有获取到锁的线程阻塞挂起,直到持有锁的线程执行完同步块唤醒他们;

偏向锁是在无锁争用的情况下使用的,也就是同步开在当前线程没有执行完之前,没有其它线程会执行该同步块,一旦有了第二个线程的争用,偏向锁就会升级为轻量级锁,如果轻量级锁自旋到达阈值后,没有获取到锁,就会升级为重量级锁;

注意:如果线程争用激烈,那么应该禁用偏向锁。

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