并发编程(四)Java线程中的各种锁

Java虚拟机对synchronized的优化

• 从Java6开始，虚拟机对synchronized关键字做了多方面的优化，主要目的就是，避免ObjectMonitor的访问，减少“重量级锁”的使用次数，并最终减少线程上下文切换的频率，
• 其中主要做了以下几个优化：锁自旋，轻量级锁，偏向锁

1.锁自旋

• 线程的阻塞和唤醒需要cpu从用户态转为核心态，频繁的阻塞和唤醒对cpu来说是一件负担很重的工作，势必会给系统的并发性能带来很大的压力，所以Java引入了自旋锁的操作。
  • 所谓自旋，就是让线程等待一段时间，不会被立即挂起，看当前持有锁的线程是否会很快释放锁。而所谓的等待就是执行一段无意义的循环即可（自旋）。
  • 自旋锁也存在一定的缺陷：自旋锁要占用CPU，如果锁竞争的时间比较长，那么自旋通常不能获得锁，白白浪费了自旋占用的cpu时间。这通常发生在锁持有时间长，且竞争激烈的场景中，此时应主动禁用自旋锁。

2.轻量级锁

• 在java虚拟机中存在这种情形，对于一块同步代码，虽然有多个不同线程会去执行，但是这些线程是在不同的时间段交替请求这个锁对象，也就是不存在锁竞争的情况。这种情况下，锁会保持在轻量级锁的状态，从而避免重量级锁的阻塞和唤醒操作。

• 对象头中的Mark Word标记数据中，锁的标志包含如下：

  • 00 代表轻量级锁
  • 01 代表无锁（或者偏向锁）
  • 10 代表重量级锁
  • 11 则跟垃圾回收算法的标记有关

• 当线程执行某同步代码时，java虚拟机会在当前线程的栈帧中开辟一块空间（Lock Record）作为该锁的记录，如下图所示：

1.锁记录空间Lock Record.png

• 然后java虚拟机会尝试使用CAS操作，将锁对象的Mark Word拷贝到这块空间中，并且将锁记录中的owner指向Mork Word。结果如下：

2.锁记录owner指向Mark Word.png

• 当线程再次执行此同步代码块时，判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是则表示当前线程已经持有当前对象的锁，则直接执行同步代码块，否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了，这时轻量级锁需要膨胀为重量级锁

3.偏向锁

• 轻量级锁是在没有锁竞争情况下的锁状态，但是在有些时候不仅存在多线程的竞争，并且总是由同一个线程获得。因此为了让线程获得锁的代价更低引入了偏向锁的概念。

  • 偏向锁的意思是如果一个线程获得了一个偏向锁，如果在接下来的一段时间中没有其他线程来竞争锁，那么持有偏向锁的线程再次进入或者退出同一个同步代码块，不需要再次进行抢占和释放锁的操作。
  • 偏向锁可以通过 -XX:+UseBiasedLocking 开启或关闭

• 偏向锁的具体实现

  • 在锁对象的对象头中有个ThreadId字段，默认情况下这个字段是空的，当第一次获取锁的时候，就将自身的ThreadId写入锁对象的Mark Word中的ThreadId字段内，将是否偏向锁的状态设置为01；
  • 这样下次获取锁的时候，直接检查ThreadId是否和自身线程Id一致，如果一致，则认为当前线程已经获取了锁，因此不需要再次获取锁，略过了轻量级锁和重量级锁的加锁阶段，提高了效率。

总结

• Java锁的几种状态：
  • 其中偏向锁和轻量级锁都是通过自旋等技术避免真正的加锁。
  • 而重量级锁次啊是获取锁和释放锁，重量级锁通过对象内部的监视器（ObjectMonitor）实现，其本质依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现
  • 操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，成本非常高。