Java高并发编程实战4，synchronized与Lock底层原理

Posted 2022-09-26 哪吒

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java高并发编程实战4，synchronized与Lock底层原理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、synchronized底层原理

synchronized是基于JVM中的Monitor锁实现的，Java1.5之前的synchronized锁性能较低，但是从Java1.6开始，对synchronized锁进行了大量的优化，引入可锁粗话、锁消除、偏向锁、轻量级锁、适应性自旋等技术来提升synchronized的性能。

当synchronized修饰方法时，当前方法会比普通方法在常量池中多一个ACC_SYNCHRONIZED标识符，synchronized修饰方法的核心原理如下图：

JVM在执行程序时，会根据这个ACC_SYNCHRONIZED标识符完成方法的同步。如果调用了被synchronized修饰的方法，则调用的指令会检查方法是否设置了ACC_SYNCHRONIZED标识符。
如果方法设置了ACC_SYNCHRONIZED标识符，则当前线程先获取monitor对象。同一时刻，只会有一个线程获取monitor对象成功，进入方法体执行方法逻辑。在当前线程释放monitor对象前，其它线程无法获取同一个monitor对象，从而保证了同一时刻只有一个线程进入被synchronized修饰的方法中执行方法体的逻辑。

synchronized修饰方法时，不需要JVM编译出的字节码完成加锁操作，是一种隐式的实现方式；
synchronized修饰代码块时，是通过编译出的字节码生成的monitorenter和monitorexit指令完成的，在字节码层面是一种显示的实现方式；

二、反编译synchronized方法

1、定义一个最简单的synchronized方法

package com.nezha.thread;

public class SynchronizedTest 

    public void test()
        synchronized(this)
            System.out.println("Java知识，尽在哪吒");

2、通过`javap -c SynchronizedTest.class`进行反编译：

3、代码分析

通过反编译，当synchronized修饰代码块时，会在编译出的字节码中插入monitorenter指令和monitorexit指令。

每个线程都有一个监视器锁monitor，当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时首先会尝试获取monitor的所有权。

如果monitor计数为零，则线程进入monitor并将monitor的计数设置为1，当前线程就是此monitor的所有者；
如果线程已经获取了monitor，再进入时，monitor的计数+1；
如果有其它线程占用monitor，此线程则阻塞，直到monitor的计数为0，当前线程将再次尝试获取monitor；

线程执行monitorexit时，monitor计数会-1，如果-1后monitor的计数为0，则当前线程退出此monitor。其它被阻塞的线程尝试获取当前monitor的所有权。

三、偏向锁

大部分情况下，被添加synchronized锁的代码不会存在多线程竞争的情况，但是会出现同一个线程多次获取同一个synchronized锁的现象，这样很浪费性能，此时偏向锁应运而生。

如果在同一时刻有且仅有一个线程执行了synchronized修饰的方法，则执行方法的线程不存在与其它线程竞争锁的情况，此时，锁就会变为偏向锁。
当锁进入偏向状态时，对象头中的Mark Word的结构就会进入偏向结构。此时偏向锁标记为1，锁标志位为01，并将当前线程的ID记录在Mark Word中。当前线程如果再次进入此方法，要先检查对象头中的Mark Word中是否存储了自己的线程ID。

如果有，表示当前线程已经获取到锁，当前线程可以进入或退出此方法。
如果没有，则说明有其它线程参与锁竞争并获得了偏向锁，此时当前线程会尝试CAS方式将Mark Word中的线程ID替换为自己的线程ID，替换的结果有两种：

CAS操作成功，表示之前获取到偏向锁的线程已经不存在，Mark Word中的线程ID替换为自己的线程ID；
CAS操作失败，表示之前获取到偏向锁的线程仍然存在，此时会暂停之前获取到偏向锁的线程，将Mark Word中的偏向锁标记为0，锁标志位设置为00，偏向锁升级为轻量级锁。

撤销偏向锁的过程：

选择某个没有执行字节码的时间点，暂停拥有锁的线程；
遍历整个线程栈，检查是否存在对应的锁记录，如果存在锁记录，则清空锁记录，变为无锁状态。同时将锁记录指向Mark Word中的偏向锁标设置为0，锁标志位设置为01，将其设置为无锁状态，并清除Mark Word中的线程ID；
将当前锁升级为轻量级锁，并唤醒被暂停的线程；

四、Lock源码分析

synchronized是JVM中提供的内置锁，使用内置锁无法很好地完成一些特定场景下的功能。例如，内置锁不支持响应中断、不支持超时、不支持以非阻塞的方式获取锁。而lock锁是在JDK层面实现的一种比内置锁更灵活的锁，它能弥补synchronized内置锁的不足，他们都通过Java提供的接口来完成加锁和解锁操作。

JDK听过的Lock锁是通过Java提供的接口来手动加锁、解锁的，所以lock是一种显示锁。JDK提供的显示锁位于java.util.concurrent包下，也叫JUC显示锁。

1、Lock锁的方法如下

2、下面分别单独介绍一下Lock中的方法

（1）void lock();

阻塞模式抢占锁的方法。如果当前线程抢占锁成功，则继续向下执行程序的业务逻辑，否则，当前线程会阻塞，直到其它抢占到锁的线程释放锁后再继续抢占锁。

（2）void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

可中断模式抢占锁的方法。当前线程在调用lockInterruptibly()方法抢占锁的过程中，能够响应中断信号，从而能够中断当前线程。

（3）boolean tryLock();

非阻塞模式下抢占锁的方法。当前线程调用tryLock()方法抢占锁时，线程不会阻塞，而会立即返回抢占锁的结果。

（4）boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

在tryLock()的基础上，加上限制抢占锁的时间限制。

（5）void unlock();

释放锁。

（6）Condition newCondition();

创建与当前线程绑定的Condition条件，主要用于线程间以“等待 - 通知”的方式进行通信。

所以，Lock锁支持响应中断、超时和以非阻塞的方式获取锁，全面弥补了JVM中synchronized内置锁的不足。

五、公平锁原理

公平锁，顾名思义，就是争抢锁的时候，大家都是公平的。

每个线程抢占锁的时候，都会检索锁维护的等待队列，如果等待队列为空，或者当前线程是等待队列的第一个线程，则当前线程获取到锁，否则，当前线程加入到等待队列的尾部，然后等待队列中的线程会按先进先出的规则按顺序尝试获取资源。

六、非公平锁

非公平锁的核心就是抢占锁的所有线程是不公平的，在多线程并发环境中，每个线程在抢占锁的过程中都会先直接尝试抢占锁，如果抢占成功，就继续执行程序的业务逻辑，如果抢占失败，就会进入等待队列中排队。

公平锁和非公平锁的区别是，非公平锁在队列的处理上比公平锁多了一个插队的过程，，如果插队时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。

非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU 不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。

七、StampedLock

JDK中提供了StampedLock类，StampedLock在读取共享变量的过程中，允许后面的一个线程获取写锁，并对共享变量进行写操作，它使用乐观读避免数据不一致，在读过写少的高并发环境下，是比ReadWriteLock更快的锁。

StampedLock支持写锁、读锁、乐观锁。

StampedLock与ReadWriteLock的不同之处在于，ReadWriteLock在获取读锁或写锁后，会返回一个Long类型的变量，之后再释放锁时，需要传入这个Long类型的变量。

在ReadWriteLock读取共享变量时，所有对共享变量的写操作都会被阻塞；而StampedLock提供的乐观读在多个线程读取共享变量时，允许一个线程对共享变量进行写操作。

StampedLock锁内部维护了一个线程等待队列，所有获取锁失败的线程都会进入这个等待队列，队列中的每个节点都代表一个线程，同时会在节点中保存一个标志位locked，用于表示当前线程是否获取到锁，true表示获取到锁，false表示未获取到锁。

当某个线程尝试获取锁时，会先获取等待队列尾部的线程作为当前线程的前驱节点，并且判断前驱节点是否已经成功释放锁，如果已经释放锁，则当前线程获取到锁并继续执行。如果前驱节点未释放锁，则当前线程自旋等待。

当某个线程释放锁时，会先将自身节点的locked标记设置为false，队列中后继节点中的线程通过自旋就能检测到当前线程已经释放锁，从而可以获取到锁并继续执行业务逻辑。

八、锁优化

加锁使得原本能够并行执行的操作变得串行化，串行操作会降低程序的性能，CPU对于线程的上下文切换也会降低系统的性能。下面总结一下锁优化的相关方法。

1、缩小锁的范围

将一些不会引起线程安全问题的代码，移出同步代码块，尤其是耗时的IO操作，或者可能引起阻塞的方法，这样能提高程序执行的速度。

2、减小锁的粒度

减小锁的粒度就是缩小锁定的对象，比如将一个大对象拆分成多个小对象，对这些小对象进行加锁，能够提高程序的并行度，提高程序执行的速度。

3、锁分离

锁分离最典型的技术就是读写锁，ReadWriteLock分为写锁和读锁，其中读读不互斥，读写互斥，写写互斥，这样既保证了线程安全，又提高了性能。

4、锁分段

进一步缩小锁的粒度，对一个独立对象的锁进行分解的现象叫做锁分段。锁分段最典型的例子就是ConcurrentHashMap。
ConcurrentHashMap将数据按照不同的数据段进行存储，每个数据段分配一把锁，当某个数据段占有某个数据段的锁访问数据时，其它数据段的锁也能被其它线程抢占到，提高程序的并行度，提高程序性能。