锁

天锁流云
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java中的锁机制主要分为Lock和Synchronized两大体系。

锁的使用

在Lock接口出现之前，java用synchronized实现锁。java5之后，增加了Lock接口和实现类，提供了相同功能，但需要手动加锁释放锁，并拥有了可中断获取锁，超时获取锁等特性。

  • 可中断获取锁
  • 可非阻塞获取锁
  • 可限定获取锁的超时时间

Mark Word

image.png 什么都不加,Mark Word就是Normal. 加锁后数据就会变化,从上到下依次为偏向锁,轻量级锁,重量级锁. 重量级锁Mark word存的是Monitor指针,占用30bit.

Monitor

Monitor译作监视器或管程. Monitor是JVM提供的,每个Java对象都可以关联一个Monitor对象,在给一个对象加上synchronized后,这个对象头的Mark word中就会设置一个指向Monitor对象的指针.

Monitor的结构

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image.png Thread2执行到了临界区代码,获取了对象obj的锁, 那么Monitor的owner就会是Thread2

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这时候Thread1也执行到了临界区代码,它尝试获取锁,但是Monitor已经有了所有者,它获取不到. 这时候,它会和Monitor的EntryList关联,EntryList是阻塞队列,Thread1和EntryList关联,就相当于进入了阻塞队列,变为BLOCKED状态.

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这时候Thread3也执行到了临界区代码,一样进入EntryList,变为BLOCKED状态.

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当Thread2执行完后,Monitor的owner就会空出来.唤醒阻塞队列中的线程,,唤醒规则看实现方式.

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synchronized

锁是由操作系统实现的，挂起和唤醒线程，需要操作系统帮忙完成。操作系统实现线程切换需要从用户态转到内核态。状态的转换要花费较长的时间。 使用方式：

  1. 方法
  2. 静态方法
  3. 代码块，可指定加锁对象。

保证可见性、原子性、一致性

实现原理：

被synchronized修饰的程序，在编译后的字节码指令中会多出 monitorenter和monitorexit指令。 monitorenter指向同步代码块的开始，monitorexit指向结束。

  • 当jvm执行到monitorenter指令时，线程试图获取锁，也就是获取monitor。 monitor由锁对象的对象头的Mark word中存储。 执行monitorenter指令后，如果monitor的进入数为0（这个锁未被占用），则该线程进入monitor，获取成功，并将进入数设置为1，该线程车成为monitor的所有者。

  • 如果线程已经占有monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1。

  • 在执行 monitorexit 指令后，将锁计数器-1，如果为0了，锁被释放。

  • 如果获取对象锁失败，那当 前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。

  • synchronized加在同一个对象上，才能线程安全。

  • 一个线程已经拥有了对象的锁，再次申请还能获取该对象的锁，是可重入的。这样能避免自己锁死自己

  • synchronized是非公平锁： 非公平指的是并不是按照线程申请锁的先后顺寻分配锁，而是在锁被释放后，其他线程都能争抢锁。

  • 悲观锁 ：

ReenTrantLock

synchronized是基于JVM实现的。

ReenTrantLock是API层面，基于Lock接口的实现类。 使用lock()和unlock()等方法完成。

Lock由AQS实现， AQS阻塞和唤醒线程靠的是LockSupport类的park和unpark方法。

ReenTrantLock可以指定是公平的还是非公平的锁。 synchronized是非公平锁。 公平锁是先等待的线程先获取锁。

如何避免死锁：

  1. 响应中断 等待过程中，线程可以根据需要取消对锁的请求。

  2. 可轮询锁： 通过trylock()获取锁，如果有可用锁，则获取该锁并返回true。 如无可用锁，则立即返回false。

  3. 定时锁 通过boolean tryLock(long time,TimeUnit unit) throws InterruptedException获取定时锁。如果在给定的时 间内获取到了可用锁，且当前线程未被中断，则获取该锁并返回 true。如果在给定的时间内获取不到可用锁，将禁用当前线程

ReentrantLock支持公平锁和非公平锁两种方式。

锁升级

java1.6中，为了减少获取锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁。

锁升级的过程体现在Mark word的标志位发生变化。 img

由于java线程的操作最终还是靠操作系统的线程，所以线程的阻塞和唤起都需要操作系统执行，需要从用户态切换到内核态，十分耗费性能。 所以对锁进行了优化，根据竞争程度的不同加合适的锁。

无锁

偏向锁

只有一个线程竞争，那这个锁就偏向于这个线程。 当一个线程访问同步代码块时，通过CAS操作，在锁对象头的Mark Word中记录占用锁的线程id，一表示这个锁对象偏向于这个线程。如果成功，Mark word就会存储当前线程id，执行同步代码块。

如果一个线程在获取锁时，发现已经有其他线程获取了锁，说明存在对所的竞争，就需要升级成轻量级锁。

升级锁要等到全局安全点，即没有线程执行时。

轻量级锁

轻量级锁对使用者是透明的,仍然使用synchronizd. 还是用CAS操作Mark word，来试图获取锁，如果重试成功，就是用轻量级锁，否则进一步升级成重量级锁。

假设有两个方法,用同一个对象加锁:

image.png

  • 线程的栈帧中会包含一个锁记录的结构,内部可以存储锁定对象的Mark Word
  • 锁记录中的Object reference指向锁对象,并尝试用cas替换Object的Mark Word.将maek word的值存入锁记录.

image.png

  • 如果cas替换成功,对象头中存储了锁记录地址和状态00,表示由该线程给对象加锁.

重量级锁

大量竞争时，升级为重量级锁

volatile

  • 保证变量可见性，一个变量在多个线程间可见。
  • 禁止 JVM 的指令重排。

线程把主存中的变量读到自己的工作内存，修改后，再写回主存， 但是这样会导致主存中的值已经变了，线程还在使用自己工作内存的数据，这就会导致数据不一致。要解决这个问题，就要把变量声明为volatile 。 volatile指示jvm，这个变量是不稳定的，每次使用都需要先到主存中读取。

synchronized 关键字和 volatile 关键字的区别

  • volatile是一种更轻量的同步机制，使用volatitle不会有上下文切换或线程调度，所以性能比synchronized好。但是volatile只能作用于变量。
  • volatile能保证数据的可见性，但不能保证数据的原子性。

内存屏障 对volatile变量的写指令后会加入写屏障 对volatile变量的读指令后会加入读屏障

如何保障可见性

写屏障 sfence 保证在该屏障之前的,对共享变量的改动,都同步到主存中.

读屏障 lfence 保证该屏障之后,对共享变量的读取,加载的是主存中的最新数据.

各种锁

锁是为了保证数据一致性。 在多线程编程中，为了保证数据一致性，通常需要在使用该对象或者方法之前加锁。

乐观锁

是一种思想，并不会上锁。是在更新数据时，先读出当前版本号，和上一次的版本号比较，如果版本号一致，说明期间没有被其他线程修改过，则更新。如果版本号不一致，则继续读取，比较。 乐观锁通过CAS实现的。 实现方式：首先检查某块内存的值是否跟之前读取时的值相同，如果不一样，说明内存的值被其他线程修改了，就不进行操作，如果一样，就把新值设置给内存。

优点：提高了性能 缺点：只能保证一个共享变量的原子操作 长时间CAS如果不成功，cpu开销大

悲观锁

读取数据时就加锁。 基于AQS实现。

自旋锁

CAS就是自旋。 自旋就是在进行CAS操作。 线程或取不到锁，并不挂起，而是等一等。避免用户态和内核态的切换。 线程自旋占用CPU，如果等待时间太长，会浪费CPU资源 ，所以需要设置一个最大等待时间。

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