深入理解Java中的鎖（一）

CodingDiary發表於2019-07-23
Java

Java中鎖的概念

自旋鎖 ： 是指當一個執行緒在獲取鎖的時候，如果鎖已經被其他執行緒獲取，那麼該執行緒將迴圈等待，然後不斷判斷鎖是否能夠被成功獲取，直到獲取到鎖才會退出迴圈。

樂觀鎖 ： 假定沒有衝突，在修改資料時如果發現資料和之前獲取的不一致，則讀最新資料，修改後重試修改

悲觀鎖 ：假定會發生併發衝突，同步所有對資料的相關操作，從讀資料就開始上鎖

獨享鎖（寫） ： 給資源加上寫鎖，擁有該鎖的執行緒可以修改資源，其他執行緒不能再加鎖（單寫）

共享鎖（讀） ： 給資源加上讀鎖後只能讀不能改，其他執行緒也只能加讀鎖，不能加寫鎖 （多讀）

可重入鎖 ：執行緒拿到一把鎖後，可以自由進入同一把鎖所同步的程式碼

不可重入鎖 ：執行緒拿到一把鎖後，不可以自由進入同一把鎖所同步的程式碼

公平鎖 ：爭搶鎖的順序，按照先來後到的順序

非公平鎖 ：爭搶鎖的順序，不按照先來後到的順序

Java中幾種重要的鎖實現方式：synchronized, ReentrantLock, ReentrantReadWriteLock

同步關鍵字synchronized

  • 用於例項方法，靜態方法時，隱式指定鎖物件
  • 用於程式碼塊時顯示指定鎖物件
  • 鎖的作用域：物件鎖，類鎖，分散式鎖

synchronized特性：可重入，獨享，悲觀鎖
鎖優化:

  • 鎖消除是發生在編譯器級別的一種鎖優化方式，是指虛擬機器即時編譯器在執行時，對一些程式碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享資料競爭的鎖進行削除（開啟鎖消除的引數：-xx:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateLocks）
  • 鎖粗化是指有些情況下我們反而希望把很多次鎖的請求合併成一個請求，以降低短時間內大量鎖請求、同步、釋放帶來的效能損耗

Note： synchronized關鍵字，不僅實現同步，JMM中規定，synchronized要保證可見性（不能夠被快取）

synchronized用法程式碼示例：

public class Counter {

  private static int i = 0;

  // 等價於 synchronized(this)
  public synchronized void update() {
    i++;
  }

  public void updateBlock() {
    synchronized (this) {
      i++;
    }
  }

  // 等價於 synchronized (Counter.class)
  public static synchronized void staticUpdate() {
    i++;
  }

  public static void staticUpdateBlock() {
    synchronized (Counter.class) {
      i++;
    }
  }
}

那麼synchronized加鎖在JVM中到底是如何實現的？

要了解synchronized加鎖在JVM中是如何實現的，就有必要了解Java物件在JVM中到底是如何儲存的。我們知道JVM中在方法區儲存物件的引用，在堆中儲存的物件例項。那麼堆中儲存的物件又有那些資訊哪？其實堆中儲存的物件主要由三部分組成，物件頭，例項欄位資料以及padding。物件頭裡面儲存了指向方法區後設資料的引用，例項欄位資料就是儲存了實際的欄位資料，padding主要是為了補位，例項物件在堆中儲存的時候必須是八位元組的整數倍，不夠的時候由padding佔位補齊。
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物件頭中的資料有具體分為Mark World，Class Metadata Address以及Array Length

  • Mark World : 一段32/64的記憶體區域，用來儲存Hashcode、GC分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖、偏向執行緒ID、偏向時間戳等等
  • Class Metadata Address : 指向類的元資訊的引用
  • Array Length ： 如果是陣列物件，會有一個Array Length用來標記陣列的長度

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輕量級鎖

輕量級鎖的加鎖過程：

  1. 每個執行緒都會在棧幀中開闢一塊記憶體空間叫 Lock Record
  2. 然後執行緒會把物件頭中 Mark world 的內容拷貝到 Lock Record
  3. 然後，以拷貝的 Mark world 的 記憶體為舊值，以 Lock Record Address 為新值，通過CAS操作進行搶鎖
  4. 如果Mark world通過CAS操作成功，則成功搶到鎖
  5. 如果CAS操作失敗會進行自旋一定的次數進行搶鎖，如果一定次數還沒搶到則升級為重量級鎖

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重量級鎖

執行緒在獲取輕量級鎖失敗的時候會進行自旋，如果不加以限制會對CPU資源造成較多的消耗，所以自旋一定的次數之後會升級成重量級鎖。
我們知道Java中每個物件都會有一個物件監視器（Object Monitor, 即管程），而升級為重量級鎖就需要用到這個Object Monitor。它會有一個owner用來標記這個鎖被誰佔用了，還有一個entry list用來儲存未獲得鎖的執行緒，entry list中的執行緒都是blocked狀態。假設兩個執行緒T1，T2同時去獲取重量級鎖，如果T1獲取到了鎖，那麼owner就會指向T1，而T2就會進入entry list進行等待，從而減少對CPU的消耗。

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偏向鎖

在JDK6以後，預設已經開啟了偏向鎖這個優化，可以通過JVM引數 -XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。若偏向鎖開啟，只有一個執行緒搶鎖，可獲取偏向鎖。偏向鎖會偏向於第一個獲得它的執行緒，如果在接下來的執行過程中，該鎖沒有被其他的執行緒獲取，則持有偏向鎖的執行緒將永遠不需要同步。大多數情況下，鎖不僅不存在多執行緒競爭，而且總是由同一執行緒多次獲得，為了讓執行緒獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。當鎖物件第一次被執行緒獲取的時候，執行緒使用CAS操作把這個執行緒的ID記錄在物件Mark Word之中，同時置偏向標誌位1。以後該執行緒在進入和退出同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需要簡單地測試一下物件頭的Mark Word裡是否儲存著指向當前執行緒的ID。如果測試成功，表示執行緒已經獲得了鎖。當有另外一個執行緒去嘗試獲取這個鎖時，偏向模式就宣告結束。根據鎖物件目前是否處於被鎖定的狀態，撤銷偏向後恢復到未鎖定或輕量級鎖定狀態。

鎖的升級過程

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