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  • 2021-12-15 22:46:05

    1、synchronized 锁升级原理

    锁对象的对象头里有一字段: threadid 。

    首次访问锁对象, threadid 为空,JVM 让其持有偏向锁并将 threadid 设置为当前线程 id;

    再次访问锁对象,会先判断 threadid 是否与当前线程 id 一致,若一致则可以直接使用此对象,若不一致,则升级偏向锁轻量级锁;

    等待锁对象中,通过自旋循环一定次数来获取锁,执行一定次数后,若还未能正常获取到要使用的对象,此时就会把锁从轻量级锁升级重量级锁。

    以上过程就是 synchronized 锁的升级过程。

    2、锁的升级的目的

    锁升级,是为了降低使用锁带来的性能消耗。

    Java 1.6 之后优化 synchronized 的实现方式,使用了偏向锁升级为轻量级锁再升级到重量级锁的方式,从而降低使用锁带来的性能消耗。

    3、锁的升级不可逆

    无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁,且锁升级的顺序是不可逆的

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    锁升级(膨胀)过程 synchronize锁升级过程:jdk高版本之后对synchronize关键字进行了很多优化,其中一项就是锁升级,以前synchronize默认就是悲观锁,是在JVM层面上加锁的,加锁解锁的开销都比较大。所以引入了偏向...

    锁升级(膨胀)过程

    synchronize锁升级过程:jdk高版本之后对synchronize关键字进行了很多优化,其中一项就是锁升级,以前synchronize默认就是悲观锁,是在JVM层面上加锁的,加锁解锁的开销都比较大。所以引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

    那么偏向锁、轻量级锁、重量级锁又是什么
    偏向锁:我认为偏向锁的关键就是“偏”,偏向于第一个访问的线程。也就是说在无竞争的环境下,有一个线程访问的同步代码块,那么这个锁就会偏向这个线程,下次有线程访问的时候就会判断是不是之前访问过的线程访问,这样就会少一次cas的开销。因为第一次有线程访问同步代码块的时候会用cas把线程id写入mark word中。偏向锁会有一个延迟,程序刚启动的5s内不会出现偏向锁,这点在博主前面jol测试对象头中证明了这点,计算过hashcode值的对象不会加偏向锁,因为对象头没有空间放线程id了。
    轻量级锁:轻量级锁体现轻量的点就在于自旋,如果线程访问轻量级锁的同步代码块,会cas判断线程id是否一致,不一致会自旋一定的时间一致cas,如果cas成功就还是轻量级锁。但一般都是失败的,然后轻量级锁就会升级为重量级锁。
    重量级锁:jvm层面的两个标识,加锁解锁都会阻塞其他线程。
    在这里插入图片描述

    详细谈一下锁升级
    简单的来说,在无竞争的时候sync使用偏向锁,如果偏向锁失败了(一个对象被不同的线程加锁了),就会升级为轻量级锁,如果有线程的竞争,就升级为重量级锁。

    详细的说,偏向锁的标记被记录在了markwork里面,标志位为100,偏向锁的线程id也被记录在了对象头中,线程访问同步代码块的时候,就会用cas检查对象头记录的线程id是不是当前线程,如果不是,就cas把替换线程id,如果成功就获得偏向锁。如果是当前线程,也获得偏向锁。如果替换失败,就当偏向锁线程达到安全点的时候,升级为轻量级锁。偏向锁的意思就是偏向第一个访问的线程

    轻量级锁的线程信息存储在当前线程的栈帧中,并将对象头中的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,如果成功,当前线程获得锁,如果失败,表示有其他线程竞争,自旋一定的次数后就会升级为重量级锁。重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

    在这里插入图片描述
    再来说说synchronize的原理

    在这里插入图片描述
    Wait Set:那些调用wait方法被阻塞的线程放置在这里

    contention List:竞争队列,所有请求锁的线程首先被放在竞争队列

    entry list:contention中那些有资格的会被移入contention list

    ondeck:任意时刻,最多有一个线程在竞争资源,该线程为ondeck

    owner:当前获取到资源的线程

    1. 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。
    2. 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)。
    3. 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”。
    4. 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。
    5. 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)。
    6. Synchronized 是非公平锁。 Synchronized 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。
      参考:https://blog.csdn.net/zqz_zqz/article/details/70233767
    7. 每个对象都有个 monitor 对象,加锁就是在竞争 monitor 对象,代码块加锁是在前后分别加上 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现的,方法加锁是通过一个标记位来判断的
    8. synchronized 是一个重量级操作,需要调用操作系统相关接口,性能是低效的,有可能给线程加锁消耗的时间比有用操作消耗的时间更多。
    9. Java1.6,synchronized 进行了很多的优化,有适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁及偏向锁等,效率有了本质上的提高。在之后推出的 Java1.7 与 1.8 中,均对该关键字的实现机理做了优化。引入了偏向锁和轻量级锁。都是在对象头中有标记位,不需要经过操作系统加锁。
    10. 锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级到重量级锁。这种升级过程叫做锁膨胀;
    11. JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁,可以通过-XX:-UseBiasedLocking 来禁用偏向锁。
    展开全文
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    Java原理 在探究Java原理之前我们需要知道一些基础知识,方便对锁的理解: synchronized关键字 CAS Java对象内存模型 CAS CAS概述 CAS(Compare And Swap)比较和替换 定义一个int类型的变量a,初始值为0。 ...

    Java锁原理

    在探究Java锁原理之前我们需要知道一些基础知识,方便对锁的理解:

    • synchronized关键字
    • CAS
    • Java对象内存模型

    image-20200912131756122

    CAS

    CAS概述

    CAS(Compare And Swap)比较和替换

    定义一个int类型的变量a,初始值为0。

    • 线程A先获取变量a的值为0,然后执行加一操作,然后线程A会比较一下这个变量a是否还是0,如果是0,我们把它修改为1.
    • 如果不是0,说明被其他线程动过,我们获取这个新的变量值a,执行加一操作,然后再去比较一下这个变量a又被其他线程动过,如果被动过,重复此操作,直至变量a在我们执行加一操作前后没有被动过。

    image-20200909152924647

    Java对象模型

    这个对象模型的详细内容我单独放在这篇博文

    一个Java对象可以分为三部分存储在内存中,分别是:

    • 对象头 (Header)
    • 实例数据 (Instance Data)
    • 对齐填充 (Padding)

    image-20200909165625022

    1. markword

    ​ markword 固定长度8byte,描述对象的identityhashcode,分代年龄,锁信息等

    1. classpoint

      classpoint固定长度4byte, 指定该对象的class类对象。

    2. 实例数据

    ​ 基本变量:用于存放java八种基本类型成员变量,以4byte步长进行补齐,使用内存重排序优化空间

    ​ 引用变量:存放对象地址,如String,Object;

    1. padding 补齐

    ​ 对象大小必须是8byte的整数倍,用来补齐字节数。

    1. 数组长度

    ​ 数组长度:如果是数组,额外占用固定4byte存放数组长度;

    对象头信息(markword)

    image-20200909165523310

    锁升级

    锁的状态

    • 无锁

    • 偏向锁

    • 轻量级锁

    • 重量级锁

    我们的锁信息是存放在对象头的markword里面的。

    无锁

    无锁是指没有对资源进行锁定,所有的线程都能访问并修改同一个资源,但同时只有一个线程能修改成功。

    无锁的特点是修改操作会在循环内进行,线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出,否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值,必定会有一个线程能修改成功,而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

    偏向锁

    偏向锁是指当一段同步代码一直被同一个线程所访问时,即不存在多个线程的竞争时,那么该线程在后续访问时便会自动获得锁,从而降低获取锁带来的消耗,即提高性能。

    初次执行到synchronized代码块的时候,锁对象变成偏向锁(通过CAS修改对象头里的锁标志位),字面意思是“偏向于第一个获得它的线程”的锁。执行完同步代码块后,线程并不会主动释放偏向锁。当第二次到达同步代码块时,线程会判断此时持有锁的线程是否就是自己(持有锁的线程ID也在对象头里),如果是则正常往下执行。由于之前没有释放锁,这里也就不需要重新加锁。如果自始至终使用锁的线程只有一个,很明显偏向锁几乎没有额外开销,性能极高。

    轻量级锁

    轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候,却被另外的线程所访问,此时偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋(关于自旋的介绍见文末)的形式尝试获取锁,线程不会阻塞,从而提高性能。

    在轻量级锁状态下继续锁竞争,没有抢到锁的线程将自旋,即不停地循环判断锁是否能够被成功获取。获取锁的操作,其实就是通过CAS修改对象头里的锁标志位。先比较当前锁标志位是否为“释放”,如果是则将其设置为“锁定”,比较并设置是原子性发生的。这就算抢到锁了,然后线程将当前锁的持有者信息修改为自己。

    重量级锁

    重量级锁是指当有一个线程获取锁之后,其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

    简言之,就是所有的控制权都交给了操作系统,由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更。而这样会出现频繁地对线程运行状态的切换,线程的挂起和唤醒,从而消耗大量的系统资源。

    锁升级过程

    • 无锁到偏向锁

      初次执行到synchronized代码块的时候,锁对象变成偏向锁,通过CAS修改对象头里的锁标志位。

    • 偏向锁到轻量级锁

      轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候,却被另外的线程所访问,此时偏向锁就会升级为轻量级锁

    • 轻量级锁到重量级锁

      如果锁竞争情况严重,某个达到最大自旋次数的线程,会将轻量级锁升级为重量级锁,依然是CAS修改锁标志位,但不修改持有锁的线程ID。

    image-20200912135141689

    锁升级的目的

    锁竞争

    这里要明确一下什么是锁竞争:如果多个线程轮流获取一个锁,但是每次获取锁的时候都很顺利,没有发生阻塞,那么就不存在锁竞争。只有当某线程尝试获取锁的时候,发现该锁已经被占用,只能等待其释放,这才发生了锁竞争。

    我们Java团队发现,很多情况下,即便是多线程环境,由于每次占用资源的时间短,实际上可能没有发生锁竞争,偏向锁主要就是对这个层面进行优化。

    自旋

    轻量级锁是通过自选的方式来等待资源的,在Jdk1.6我们的自旋尝试次数是一个JVM参数,默认是10。但是在后序版本中,自旋的尝试次数都交给JVM进行控制,也就是编程了自适应自旋锁

    简单的说就是锁变聪明了,假如上一次CAS尝试了十次并且成功了。我们此次CAS自旋了十次也没有成功,但是由于上一次CAS成功了,我们自适应自旋锁认为本次也很可能成功,会多尝试几次。

    忙等

    长时间的自旋操作是非常消耗资源的,一个线程持有锁,其他线程就只能在原地空耗CPU,执行不了任何有效的任务,这种现象叫做忙等(busy-waiting)。如果多个线程用一个锁,但是没有发生锁竞争,或者发生了很轻微的锁竞争,那么synchronized就用轻量级锁,允许短时间的忙等现象。这是一种折衷的想法,短时间的忙等,换取线程在用户态和内核态之间切换的开销。

    用户态和内核态

    线程挂起

    重量级锁是指当有一个线程获取锁之后,其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

    简言之,就是所有的控制权都交给了操作系统,由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更。而这样会出现频繁地对线程运行状态的切换,线程的挂起和唤醒,从而消耗大量的系统资源。

    演示锁升级过程

    JOL工具

    java对象布局JOL(java object layout),描述对象在堆内存的布局

    <dependency>
        <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
        <artifactId>jol-core</artifactId>
        <version>0.9</version>
    </dependency>
    

    基本使用

    @Test
    public void unlocked(){
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
    }
    

    结果
    默认是无锁状态
    在这里插入图片描述

    偏向锁

    我们Java虚拟机对于4秒之内就执行完毕的程序是不会开启偏向锁的,所以我们这里让线程睡五秒来开启偏向锁

    @Test
    public void biasedLocking() throws Exception{
    	Thread.sleep(5000); //等待jvm开启偏向锁
    	System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        synchronized (object){
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        }
    }
    

    结果
    在这里插入图片描述

    轻量级锁

    让两个线程出现竞争

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread.sleep(5000);
        Object o = new Object();
        synchronized (o) {
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        }
        for (int i = 0; i < 1; i++) {
          Thread t = new Thread(() -> {
            print(o);
          });
          t.start();
        }
      }
     
      public static void print(Object o) {
        synchronized (o){
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        }
      }
    

    结果

    在这里插入图片描述

    重量级锁

    让线程等待时间变长一点

    public static void main(String[] args){
        Object o = new Object();
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
          Thread t = new Thread(() -> {
            print(o);
          });
          t.start();
        }
      }
     
      public static void print(Object o) {
        synchronized (o){
          System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        }
      }
    

    结果

    在这里插入图片描述

    展开全文
  • 简述Synchronized以及锁升级

    千次阅读 2022-04-29 19:27:54
    简述Synchronized以及锁升级

    1、Synchronized锁

    ​ 通过Synchronized实现同步机制,属于一种悲观锁,在操作数据时,判断该对象是否被锁定,如果被锁定则进入阻塞状态直到被占用的线程释放,如果没有被锁或者当前线程已存在操作对象的锁则进行上锁操作,操作完数据后进行释放操作。

    ​ 当一个类对象被锁时,被Synchronized修饰的方法将产生阻塞,非Synchronized修饰的方法不会产生阻塞。

    ​ Synchronized通过可重入性解决自己锁死自己的情况;因为他是通过判断对象没有锁或者当前线程拥有当前对象的锁来进行加锁,如果没有重入性一类中两个同步方法互相调用就会造成死锁。

    ​ Synchronized也是一种非公平锁,因为它不会按申请锁的时间来分配锁,而是通过竞争的形式来获取锁,这样提高了执行性能。

    方法锁:synchronized修饰方法时,每个实例对象对应一把锁。

    对象锁:synchronized修饰方法或代码块,每个实例对象对应一把锁。

    类锁:synchronized修饰静态方法或者静态代码块,所有的实例对象共用同一把锁,我们称之为类锁。

    在一个类中,同时存在类锁方法和对象锁方法。多线程访问两个方法的时候,线程会不会阻塞。

    2、锁升级

    从低到高分为:偏向锁、轻量级锁(自旋锁)、重量级锁,锁只能升级不能降级;

    为什么需要进行锁升级: ** 在是一个线程多次获得同一个锁的情况下,如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要的代价,为了降低CPU的开销,提供了执行效率。**

    升级锁的实现,依赖于对象头中的Mark Word,里面会记录当前第一个获取锁的线程的ID,以及锁状态;

    • 偏向锁:当一个线程A抢到锁后,将线程A的ID记录到对象头中,并且锁升级为偏向锁(锁标志-01(无锁于偏向都是01),是否偏向为1);后续线程A再次获取该对象的锁时,发现对象处于偏向锁状态,对象头中的线程ID与线程A一致,此时会直接获取到偏向锁;
    • 轻量级锁:当另外一个线程B获取锁时,发现锁以及处于偏向状态,此时线程B会通过CAS的方式尝试性的争抢锁【修改对象头中的线程ID】(判断线程A是否存活,存活就不能进行修改),如果偏向锁抢锁失败,则偏向锁就升级为轻量级锁,如果抢锁成功则执行代码;
    • 重量级锁:轻量级锁是通过自旋的方式争抢锁,并且适用于线程持有锁的时间也不长的情况**(因为阻塞线程需要进行CPU状态,代价比较大,所以自旋)**;当线程的自旋次数超过阈值(默认是10)的时候为了防止cpu空转,会将自旋锁升级为重量级锁,并且将没有获取锁的线程进行阻塞;

    轻量级锁修改线程ID的方式:

    ​ 偏向锁升级为轻量级锁之后,线程B将锁对象的markword拷贝到线程本身的markword空间中,然后通过cas的方式去设置锁对像中的线程ID值;

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锁升级机制