Java锁机制1.0

Posted 2022-04-18 364.99°

1.锁的简介

1.什么是锁？

锁： 在并发环境下，多个线程会对同一个资源进行争抢，可能会导致数据不一致的问题，即线程不安全问题。为解决这类问题而引入锁机制对这些资源进行锁定。

线程不安全与线程安全：

• 线程安全：多个线程在执行同一段代码的时候采用加锁机制，使每次的执行结果和单线程执行的结果都是一样的。
• 线程不安全：不提供加锁机制保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。

哪些元素决定了线程不安全？
线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。
若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则的话就可能影响线程安全。

JVM运行时内存结构：

线程共享区域： 当多个线程竞争共享区域中的一些数据时，就有可能造成一些意料之外的情况。

• java堆：存放着所有对象
• 方法区：存放着类信息、常量、静态变量等数据

2.锁是如何实现的？

在Java中，每个Object都有一把锁，这把锁存放在对象头中，锁中记录了当前对象被哪个线程所占用。

填充字节： 为了满足java对象的大小必须是8字节的倍数这一要求

实例数据： 属性、方法

对象头： 存放对象的运行时信息，相比于实例数据属于一些额外的存储开销，所以被设计得极小来提高效率（64bit）

• class point：一个指针，指向了当前对象类型所在的方法区中的类型数据。
• mark word：存储了很多和当前对象运行时状态有关的数据。
  

2.synchronized的同步机制

1.synchronized同步流程

synchronized 经过javac编译后会生成monitorenter和monitorexit两个字节码来进行线程同步，可通过javap反编译进行查看

Monitor： 管程/监视器。当一个线程进入了monitor，其他线程就只能等待。

synchronized的同步机制：

解释一下流程：

1. 首先entry set中聚集了一些要进入monitor的线程（The Owner），处于waiting状态
2. 当某个线程A成功进入了monitor，就会处于active状态
3. 当线程A遇到一个判断条件，需要暂时让出执行权，A就会进入wait set，状态变为waiting，此时entry set中的线程就有机会进入monitor
4. 此时，线程B成功进入monitor并完成了任务。它可以通过notify唤醒A，让线程A再次进入monitor执行任务，执行完后退出

2.synchronized存在的问题

通过上述流程我们可以发现synchronized可能存在的问题：影响程序性能

java线程实际上是对操作系统线程的映射

因为synchronized被编译之后实质上是monitorenter和monitorexit两个字节码指令，而monitor依赖于操作系统的mutex lock来实现的。

每当挂起或唤醒一个线程，都要切换操作系统内核态，这种操作是比较重量级的，在一些情况下，甚至切换时间将会超出线程的执行时间，这样使用synchronized将会对程序性能造成很严重的后果。

因此，从java 6开始，synchronized进行了优化，引入了偏向锁、轻量级锁。

接下来介绍锁的四种状态（对应了mark word中的四种状态）。

3.锁的四种状态

锁的四种状态（从低到高）： 无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁
锁只能升级，不能降级

1.无锁

无锁： 没有对资源进行锁定，所有线程都能访问到同一资源。

因此，对于一个无锁的资源，可能存在两种情况：

1. 对象不会出现在多线程环境下，或多线程情况下不会竞争此资源。所以无须保护资源，交给线程随意调用就OK。
2. 资源会被竞争，但不想资源被锁定，但仍想通过一些机制来控制多线程。
   比如：多个线程修改一个值，只让一个线程去修改成功，其他修改失败的线程将会不断尝试再次修改，直到修改成功。（CAS算法，，通过操作系统中通过一条指令来实现，所以能保证线程原子性→无锁编程（效率高））

2.偏向锁

偏向锁： 当有一个线程会来获取锁，那么最理想的情况就是不通过线程切换，也不通过CAS就能获得锁（资源），希望对象能认识这个线程，只要线程过来，对象就直接把锁交出去。

如何实现的？

• 在Markword中，当锁标志位为01时，就判断倒数第三个bit是不是1（偏向锁状态）
  1 → 偏向锁
  0 → 无锁
• 若为偏向锁，再去读markword的前23bit的值（线程ID），通过此ID确认想要获得对象锁的这个线程是不是老顾客。
• 当锁还是偏向锁时，是通过mark word中的线程ID来找到这个占有锁的线程。
• 假如情况发生了变化，对象发现目前不止有一个线程正在竞争锁，偏向锁就会升级为轻量级锁。

3.轻量级锁

轻量级锁： 不再使用线程ID来判断线程，而是将mark word中的前30bit变成指向线程栈中的锁记录的指针。

如何实现的？

1. 当一个线程要获取某个对象的锁时，假如看到锁标志位为00，那么它就是轻量级锁，这时线程会在自己的虚拟机栈中开辟一块空间（Lock Record：存放对象头中的mark word副本+owner指针）。
2. 线程通过CAS去获取锁，一旦获得，将会赋值对象头中的mark word到Lock Record中，并且将Lock Record中的owner指针指向该对象。
3. 另一方面，mark word中的前30bit将会生成一个指针，指向线程虚拟机中的Lock Record。这样一来就实现了线程和对象锁的绑定。这时一个对象就已经被锁定了。
4. 此时，其他线程想要获取这个对象，就需要自旋等待。
   

自旋： 可以理解为一种轮询，线程在不断地循环，尝试着去看一下目标对象的锁是否被释放，如果释放了就去获取，没有释放就进行下一轮循环。

自旋与操作系统被挂起阻塞的区别： 当对象的锁要是很快被释放，自旋就不需要进行系统终中断和现场恢复，所以它的效率更高。

自旋相当于CPU在空转 → 长时间循环会浪费CPU资源 → 适应性自旋（自旋时间不再固定，而是由上一次在同一个锁上的自旋时间和锁的状态来决定）


举个例子：比如说在同一个锁上，当前正在自旋等待的线程，刚刚已经成功获得过锁，但是锁目前是被其他线程所占用，JVM就会认为这次自旋也很有可能会再次成功，进而允许它进行更长的自旋时间。

当自旋等待的线程超过一个，轻量级线程就会转化成重量级线程

4.重量级锁

重量级锁： 通过Monitor来对线程进行控制

之前synchronized那块儿已经讲过了。