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接觸過(guò)線程安全的同學(xué)想必都使用過(guò)synchronized這個(gè)關(guān)鍵字,，在java同步代碼快中,，synchronized的使用方式無(wú)非有兩個(gè):
- 通過(guò)對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行加鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，如下面代碼,。
synchronized(lockObject){
//代碼
}
- 對(duì)一個(gè)方法進(jìn)行synchronized聲明,，進(jìn)而對(duì)一個(gè)方法進(jìn)行加鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。如下面代碼
public synchornized void test(){
//代碼
}
但這里需要指出的是,，無(wú)論是對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行加鎖還是對(duì)一個(gè)方法進(jìn)行加鎖,，實(shí)際上，都是對(duì)對(duì)象進(jìn)行加鎖,。
也就是說(shuō),，對(duì)于方式2，實(shí)際上虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)synchronized修飾的是實(shí)例方法還是類方法,，去取對(duì)應(yīng)的實(shí)例對(duì)象或者Class對(duì)象來(lái)進(jìn)行加鎖,。
對(duì)于synchronized這個(gè)關(guān)鍵字，可能之前大家有聽(tīng)過(guò),，他是一個(gè)重量級(jí)鎖，開(kāi)銷很大,，建議大家少用點(diǎn),。但大家可能也聽(tīng)說(shuō)過(guò)，但到了jdk1.6之后，該關(guān)鍵字被進(jìn)行了很多的優(yōu)化,，已經(jīng)不像以前那樣不給力了,，建議大家多使用。
那么它是進(jìn)行了什么樣的優(yōu)化,，才使得synchronized又深得人心呢,？為何重量級(jí)鎖開(kāi)銷就大呢？
想必大家也都聽(tīng)說(shuō)過(guò)輕量級(jí)鎖,，重量級(jí)鎖,，自旋鎖，自適應(yīng)自旋鎖,，偏向鎖等等,，他們都有哪些區(qū)別呢？
剛才和大家說(shuō),，鎖是加在對(duì)象上的,，那么一個(gè)線程是如何知道這個(gè)對(duì)象被加了鎖呢？又是如何知道它加的是什么類型的鎖呢,？
基于這些問(wèn)題,，下面我講一步一步講解synchronized是如何被優(yōu)化的，是如何從偏向鎖到重量級(jí)鎖的,。
鎖對(duì)象
剛才我們說(shuō),，鎖實(shí)際上是加在對(duì)象上的，那么被加了鎖的對(duì)象我們稱之為鎖對(duì)象,，在java中,，任何一個(gè)對(duì)象都能成為鎖對(duì)象。
為了讓大家更好著理解虛擬機(jī)是如何知道這個(gè)對(duì)象就是一個(gè)鎖對(duì)象的,，我們下面簡(jiǎn)單介紹一下java中一個(gè)對(duì)象的結(jié)構(gòu),。
java對(duì)象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有一下三個(gè)部分：
- 對(duì)象頭
- 實(shí)例數(shù)據(jù)
- 填充數(shù)據(jù)
這里強(qiáng)調(diào)一下，對(duì)象頭里的數(shù)據(jù)主要是一些運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù),。
其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)如下
| 長(zhǎng)度 | 內(nèi)容 | 說(shuō)明 |
|---|
| 32/64bit |
Mark Work |
hashCode,GC分代年齡,，鎖信息 |
| 32/64bit |
Class Metadata Address |
指向?qū)ο箢愋蛿?shù)據(jù)的指針 |
| 32/64bit |
Array Length |
數(shù)組的長(zhǎng)度(當(dāng)對(duì)象為數(shù)組時(shí)) |
從該表格中我們可以看到，對(duì)象中關(guān)于鎖的信息是存在Markword里的,。
我們來(lái)看一段代碼
LockObject lockObject = new LockObject();//隨便創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象
synchronized(lockObject){
//代碼
}
當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象LockObject時(shí),，該對(duì)象的部分Markword關(guān)鍵數(shù)據(jù)如下。
| bit fields | 是否偏向鎖 | 鎖標(biāo)志位 |
|---|
| hash |
0 |
01 |
從圖中可以看出,，偏向鎖的標(biāo)志位是“01”,，狀態(tài)是“0”，表示該對(duì)象還沒(méi)有被加上偏向鎖,。（“1”是表示被加上偏向鎖）,。該對(duì)象被創(chuàng)建出來(lái)的那一刻,，就有了偏向鎖的標(biāo)志位，這也說(shuō)明了所有對(duì)象都是可偏向的,，但所有對(duì)象的狀態(tài)都為“0”,，也同時(shí)說(shuō)明所有被創(chuàng)建的對(duì)象的偏向鎖并沒(méi)有生效。
偏向鎖
不過(guò),，當(dāng)線程執(zhí)行到臨界區(qū)（critical section）時(shí),，此時(shí)會(huì)利用CAS(Compare and Swap)操作，將線程ID插入到Markword中,，同時(shí)修改偏向鎖的標(biāo)志位,。
所謂臨界區(qū)，就是只允許一個(gè)線程進(jìn)去執(zhí)行操作的區(qū)域,，即同步代碼塊,。CAS是一個(gè)原子性操作
此時(shí)的Mark word的結(jié)構(gòu)信息如下：
| bit fields | | 是否偏向鎖 | 鎖標(biāo)志位 |
|---|
| threadId |
epoch |
1 |
01 |
此時(shí)偏向鎖的狀態(tài)為“1”，說(shuō)明對(duì)象的偏向鎖生效了,，同時(shí)也可以看到,，哪個(gè)線程獲得了該對(duì)象的鎖。
那么,，什么是偏向鎖?
偏向鎖是jdk1.6引入的一項(xiàng)鎖優(yōu)化,，其中的“偏”是偏心的偏。它的意思就是說(shuō),，這個(gè)鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程,，在接下來(lái)的執(zhí)行過(guò)程中，假如該鎖沒(méi)有被其他線程所獲取,，沒(méi)有其他線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)該鎖,，那么持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要進(jìn)行同步操作。
也就是說(shuō):
在此線程之后的執(zhí)行過(guò)程中,，如果再次進(jìn)入或者退出同一段同步塊代碼,，并不再需要去進(jìn)行加鎖或者解鎖操作，而是會(huì)做以下的步驟：
- Load-and-test,，也就是簡(jiǎn)單判斷一下當(dāng)前線程id是否與Markword當(dāng)中的線程id是否一致.
- 如果一致,，則說(shuō)明此線程已經(jīng)成功獲得了鎖，繼續(xù)執(zhí)行下面的代碼.
- 如果不一致,，則要檢查一下對(duì)象是否還是可偏向,，即“是否偏向鎖”標(biāo)志位的值。
- 如果還未偏向,，則利用CAS操作來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖,，也即是第一次獲取鎖時(shí)的操作。
如果此對(duì)象已經(jīng)偏向了,，并且不是偏向自己,，則說(shuō)明存在了競(jìng)爭(zhēng),。此時(shí)可能就要根據(jù)另外線程的情況，可能是重新偏向,，也有可能是做偏向撤銷，但大部分情況下就是升級(jí)成輕量級(jí)鎖了,。
可以看出,，偏向鎖是針對(duì)于一個(gè)線程而言的，線程獲得鎖之后就不會(huì)再有解鎖等操作了,，這樣可以省略很多開(kāi)銷,。假如有兩個(gè)線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)該鎖話，那么偏向鎖就失效了,，進(jìn)而升級(jí)成輕量級(jí)鎖了,。
為什么要這樣做呢？因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)表明,，其實(shí)大部分情況下,，都會(huì)是同一個(gè)線程進(jìn)入同一塊同步代碼塊的。這也是為什么會(huì)有偏向鎖出現(xiàn)的原因,。
在Jdk1.6中,，偏向鎖的開(kāi)關(guān)是默認(rèn)開(kāi)啟的，適用于只有一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊的場(chǎng)景,。
鎖膨脹
剛才說(shuō)了,，當(dāng)出現(xiàn)有兩個(gè)線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖的話，那么偏向鎖就失效了,，此時(shí)鎖就會(huì)膨脹,，升級(jí)為輕量級(jí)鎖。這也是我們經(jīng)常所說(shuō)的鎖膨脹
鎖撤銷
由于偏向鎖失效了,，那么接下來(lái)就得把該鎖撤銷,，鎖撤銷的開(kāi)銷花費(fèi)還是挺大的，其大概的過(guò)程如下：
- 在一個(gè)安全點(diǎn)停止擁有鎖的線程,。
- 遍歷線程棧,，如果存在鎖記錄的話，需要修復(fù)鎖記錄和Markword,，使其變成無(wú)鎖狀態(tài),。
- 喚醒當(dāng)前線程，將當(dāng)前鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖,。
所以,，如果某些同步代碼塊大多數(shù)情況下都是有兩個(gè)及以上的線程競(jìng)爭(zhēng)的話，那么偏向鎖就會(huì)是一種累贅,，對(duì)于這種情況,，我們可以一開(kāi)始就把偏向鎖這個(gè)默認(rèn)功能給關(guān)閉
輕量級(jí)鎖
鎖撤銷升級(jí)為輕量級(jí)鎖之后,，那么對(duì)象的Markword也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的的變化。下面先簡(jiǎn)單描述下鎖撤銷之后,，升級(jí)為輕量級(jí)鎖的過(guò)程：
- 線程在自己的棧楨中創(chuàng)建鎖記錄 LockRecord。
- 將鎖對(duì)象的對(duì)象頭中的MarkWord復(fù)制到線程的剛剛創(chuàng)建的鎖記錄中,。
- 將鎖記錄中的Owner指針指向鎖對(duì)象,。
- 將鎖對(duì)象的對(duì)象頭的MarkWord替換為指向鎖記錄的指針,。
對(duì)應(yīng)的圖描述如下(圖來(lái)自周志明深入java虛擬機(jī))
之后Markwork如下：
| bit fields | 鎖標(biāo)志位 |
|---|
| 指向LockRecord的指針 |
00 |
注：鎖標(biāo)志位”00”表示輕量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖主要有兩種
- 自旋鎖
- 自適應(yīng)自旋鎖
自旋鎖
所謂自旋,，就是指當(dāng)有另外一個(gè)線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí),，這個(gè)線程會(huì)在原地循環(huán)等待,，而不是把該線程給阻塞,，直到那個(gè)獲得鎖的線程釋放鎖之后，這個(gè)線程就可以馬上獲得鎖的,。
注意，鎖在原地循環(huán)的時(shí)候,，是會(huì)消耗cpu的，就相當(dāng)于在執(zhí)行一個(gè)啥也沒(méi)有的for循環(huán),。
所以，輕量級(jí)鎖適用于那些同步代碼塊執(zhí)行的很快的場(chǎng)景,，這樣,，線程原地等待很短很短的時(shí)間就能夠獲得鎖了。
經(jīng)驗(yàn)表明,，大部分同步代碼塊執(zhí)行的時(shí)間都是很短很短的,，也正是基于這個(gè)原因,，才有了輕量級(jí)鎖這么個(gè)東西,。
自旋鎖的一些問(wèn)題
- 如果同步代碼塊執(zhí)行的很慢,，需要消耗大量的時(shí)間，那么這個(gè)時(shí)侯,，其他線程在原地等待空消耗cpu,，這會(huì)讓人很難受。
- 本來(lái)一個(gè)線程把鎖釋放之后,，當(dāng)前線程是能夠獲得鎖的，但是假如這個(gè)時(shí)候有好幾個(gè)線程都在競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)鎖的話,，那么有可能當(dāng)前線程會(huì)獲取不到鎖,，還得原地等待繼續(xù)空循環(huán)消耗cup，甚至有可能一直獲取不到鎖,。
基于這個(gè)問(wèn)題,，我們必須給線程空循環(huán)設(shè)置一個(gè)次數(shù)，當(dāng)線程超過(guò)了這個(gè)次數(shù),，我們就認(rèn)為,，繼續(xù)使用自旋鎖就不適合了，此時(shí)鎖會(huì)再次膨脹,，升級(jí)為重量級(jí)鎖,。
默認(rèn)情況下,，自旋的次數(shù)為10次,，用戶可以通過(guò)-XX:PreBlockSpin來(lái)進(jìn)行更改,。
自旋鎖是在JDK1.4.2的時(shí)候引入的
自適應(yīng)自旋鎖
所謂自適應(yīng)自旋鎖就是線程空循環(huán)等待的自旋次數(shù)并非是固定的，而是會(huì)動(dòng)態(tài)著根據(jù)實(shí)際情況來(lái)改變自旋等待的次數(shù),。
其大概原理是這樣的：
假如一個(gè)線程1剛剛成功獲得一個(gè)鎖，當(dāng)它把鎖釋放了之后,，線程2獲得該鎖,，并且線程2在運(yùn)行的過(guò)程中,，此時(shí)線程1又想來(lái)獲得該鎖了,，但線程2還沒(méi)有釋放該鎖,，所以線程1只能自旋等待,，但是虛擬機(jī)認(rèn)為，由于線程1剛剛獲得過(guò)該鎖,，那么虛擬機(jī)覺(jué)得線程1這次自旋也是很有可能能夠再次成功獲得該鎖的,，所以會(huì)延長(zhǎng)線程1自旋的次數(shù)。
另外,，如果對(duì)于某一個(gè)鎖,，一個(gè)線程自旋之后,，很少成功獲得該鎖，那么以后這個(gè)線程要獲取該鎖時(shí),，是有可能直接忽略掉自旋過(guò)程,，直接升級(jí)為重量級(jí)鎖的,，以免空循環(huán)等待浪費(fèi)資源。
輕量級(jí)鎖也被稱為非阻塞同步,、樂(lè)觀鎖,，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程并沒(méi)有把線程阻塞掛起,，而是讓線程空循環(huán)等待,，串行執(zhí)行。
重量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖膨脹之后,，就升級(jí)為重量級(jí)鎖了。重量級(jí)鎖是依賴對(duì)象內(nèi)部的monitor鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)的,，而monitor又依賴操作系統(tǒng)的MutexLock(互斥鎖)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,，所以重量級(jí)鎖也被成為互斥鎖。
當(dāng)輕量級(jí)所經(jīng)過(guò)鎖撤銷等步驟升級(jí)為重量級(jí)鎖之后,，它的Markword部分?jǐn)?shù)據(jù)大體如下
| bit fields | 鎖標(biāo)志位 |
|---|
| 指向Mutex的指針 |
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為什么說(shuō)重量級(jí)鎖開(kāi)銷大呢
主要是，當(dāng)系統(tǒng)檢查到鎖是重量級(jí)鎖之后,，會(huì)把等待想要獲得鎖的線程進(jìn)行阻塞,，被阻塞的線程不會(huì)消耗cup。但是阻塞或者喚醒一個(gè)線程時(shí),，都需要操作系統(tǒng)來(lái)幫忙,，這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài),，而轉(zhuǎn)換狀態(tài)是需要消耗很多時(shí)間的，有可能比用戶執(zhí)行代碼的時(shí)間還要長(zhǎng),。
這就是說(shuō)為什么重量級(jí)線程開(kāi)銷很大的,。
互斥鎖(重量級(jí)鎖)也稱為阻塞同步,、悲觀鎖
總結(jié)
通過(guò)上面的分析,，我們知道了為什么synchronized關(guān)鍵字為何又深得人心,，也知道了鎖的演變過(guò)程,。
也就是說(shuō),，synchronized關(guān)鍵字并非一開(kāi)始就該對(duì)象加上重量級(jí)鎖，也是從偏向鎖,，輕量級(jí)鎖，再到重量級(jí)鎖的過(guò)程,。
這個(gè)過(guò)程也告訴我們，假如我們一開(kāi)始就知道某個(gè)同步代碼塊的競(jìng)爭(zhēng)很激烈,、很慢的話,，那么我們一開(kāi)始就應(yīng)該使用重量級(jí)鎖了,，從而省掉一些鎖轉(zhuǎn)換的開(kāi)銷。
講到這里就大概完了,，希望能對(duì)你有所幫助
完
參考資料
- 深入理解java虛擬機(jī)(JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐)
- java并發(fā)編程
- Eliminating Synchronization Related Atomic Operations with Biased Locking and Bulk Rebiasing
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