java 并发(六) --- 锁
阅读前阅读以下参考资料,文章图片或代码部分来自与参考资料
概览
一张图了解一下java锁.
注 ： 阻塞将会切换线程，切换内核态和用户态，是比较大的性能开销
各种锁
为什么要设置锁的等级
jdk1.6对锁的实现引入了大量的优化，如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。
锁主要存在四中状态，依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，他们会随着竞争的激烈而逐渐升级。注意锁可以升级不可降级，这种策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。
乐观锁和悲观锁
阅读这篇文章,了解乐观锁和悲观锁 ---- 不可不说的Java“锁”事
我们可以知道 :
- 乐观锁与悲观锁的区分在于有没有对同步资源上锁.
- 乐观锁没有上锁,保证线程同步的常用实现是 CAS
- 悲观锁适合写操作多的场景，先加锁可以保证写操作时数据正确。
- 乐观锁适合读操作多的场景，不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。
自旋锁和自适应自旋锁
解决的通点 :
在介绍自旋锁前，我们需要介绍一些前提知识来帮助大家明白自旋锁的概念。
阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。
在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。
而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。
自适应锁
JDK 1.6引入了更加聪明的自旋锁，即自适应自旋锁。所谓自适应就意味着自旋的次数不再是固定的，它是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。它怎么做呢？线程如果自旋成功了，那么下次自旋的次数会更加多，因为虚拟机认为既然上次成功了，那么此次自旋也很有可能会再次成功，那么它就会允许自旋等待持续的次数更多。反之，如果对于某个锁，很少有自旋能够成功的，那么在以后要或者这个锁的时候自旋的次数会减少甚至省略掉自旋过程，以免浪费处理器资源。
有了自适应自旋锁，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况预测会越来越准确，虚拟机会变得越来越聪明。
即是说这次成功获取到锁,那么就意味着该线程获取到锁的几率比较大,那么运行自旋的次数就会多些.
在自旋锁中 另有三种常见的锁形式:TicketLock、CLHlock和MCSlock，本文中仅做名词介绍，不做深入讲解，感兴趣的同学可以自行查阅相关资料。
无锁 , 偏向锁 ,轻量级锁 ,重量级锁
这四种锁是指锁的状态，专门针对synchronized的。在介绍这四种锁状态之前还需要介绍一些额外的知识。首先为什么Synchronized能实现线程同步？在回答这个问题之前我们需要了解两个重要的概念：“Java对象头”、“Monitor”。
Java 对象头
下面内容引用来自 【死磕Java并发】—–深入分析synchronized的实现原理
synchronized用的锁是存在Java对象头里的，那么什么是Java对象头呢？Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。其中Klass Point是是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例，Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键，所以下面将重点阐述
Mark Word
Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等。Java对象头一般占有两个机器码（在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节，也就是32bit），但是如果对象是数组类型，则需要三个机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。下图是Java对象头的存储结构（32位虚拟机）：
对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，但是考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据，它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说，Mark Word会随着程序的运行发生变化，变化状态如下（32位虚拟机）：
总结一下java头对象信息
Monitor
什么是Monitor？我们可以把它理解为一个同步工具，也可以描述为一种同步机制，它通常被描述为一个对象。
与一切皆对象一样，所有的Java对象是天生的Monitor，每一个Java对象都有成为Monitor的潜质，因为在Java的设计中 ，每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。
Monitor 是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联（对象头的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。其结构如下：
- Owner：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL；
- EntryQ:关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程。
- RcThis:表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数。
- Nest:用来实现重入锁的计数。
- HashCode:保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。
- Candidate:用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。
那么monitor的作用是什么呢？在 java 虚拟机中，线程一旦进入到被synchronized修饰的方法或代码块时，指定的锁对象通过某些操作将对象头中的LockWord指向monitor 的起始地址与之关联，同时monitor 中的Owner存放拥有该锁的线程的唯一标识，确保一次只能有一个线程执行该部分的代码，线程在获取锁之前不允许执行该部分的代码。
无锁
无锁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。
无锁的特点就是修改操作在循环内进行，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。上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。
轻量级锁
引入轻量级锁的主要目的是在多没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。当关闭偏向锁功能或者多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁，则会尝试获取轻量级锁，其步骤如下：
获取锁
- 判断当前对象是否处于无锁状态（hashcode、0、01），若是，则JVM首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word）；否则执行步骤（3）；
- JVM利用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指正，如果成功表示竞争到锁，则将锁标志位变成00（表示此对象处于轻量级锁状态），执行同步操作；如果失败则执行步骤（3）；
- 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，锁标志位变成10，后面等待的线程将会进入阻塞状态；
释放锁
轻量级锁的释放也是通过CAS操作来进行的，主要步骤如下：
- 取出在获取轻量级锁保存在Displaced Mark Word中的数据；
- 用CAS操作将取出的数据替换当前对象的Mark Word中，如果成功，则说明释放锁成功，否则执行（3）；
- 如果CAS操作替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，则需要在释放锁的同时需要唤醒被挂起的线程。
对于轻量级锁，其性能提升的依据是“对于绝大部分的锁，在整个生命周期内都是不会存在竞争的”，如果打破这个依据则除了互斥的开销外，还有额外的CAS操作，因此在有多线程竞争的情况下，轻量级锁比重量级锁更慢；
下图是轻量级锁的获取和释放过程
偏向锁
引入偏向锁主要目的是：为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径。上面提到了轻量级锁的加锁解锁操作
是需要依赖多次CAS原子指令的。那么偏向锁是如何来减少不必要的CAS操作呢？我们可以查看Mark work的结构就明白了。只需要检查
是否为偏向锁、锁标识为以及ThreadID (标识)即可，处理流程如下：
获取锁
- 检测Mark Word是否为可偏向状态，即是否为偏向锁1，锁标识位为01；
- 若为可偏向状态，则测试线程ID是否为当前线程ID，如果是，则执行步骤（5），否则执行步骤（3）；
- 如果线程ID不为当前线程ID，则通过CAS操作竞争锁，竞争成功，则将Mark Word的线程ID替换为当前线程ID，否则执行步骤（4）；
- 通过CAS竞争锁失败，证明当前存在多线程竞争情况，当到达全局安全点(在这个时间点上没有字节码正在执行)，获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块；
- 执行同步代码块
可以看到在步骤3的时候,要是成功,只会发生一次CAS 交换.同时我们也可以看到,随着竞争的激烈程度,会导致锁的层次逐渐上升上去.
偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。
释放锁
偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。偏向锁的撤销需要等待全局安全点（这个时间点是上没有正在执行的代码）。其步骤如下：
- 暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象石是否还处于被锁定状态；
- 撤销偏向苏，恢复到无锁状态（01）或者轻量级锁的状态；
下图是偏向锁的获取和释放流程
重量级锁
重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是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，切换成本非常高。
锁的流程如下 :
公平锁 和 非公平锁
ReentrantLock 内部实现了公平锁和非公平锁。
公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁，线程直接进入队列中排队，队列中的第一个线程才能获得锁。公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低，等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞，CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。
非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁，获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用，那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁，所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销，整体的吞吐效率高，因为线程有几率不阻塞直接获得锁，CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死，或者等很久才会获得锁。
下面的图可以解释这两种的差别 ：
上图.公平锁 下图.非公平锁
接下来看看具体的源码实现
ReentranLock 和 Synchronized 的区别
- 公平锁和非公平锁和Synchronized 获取锁的方式对比，具有性能优势（非公平锁吞吐量大）。
- synchronized与Lock在默认情况下是不会响应中断(interrupt)操作，会继续执行完。lockInterruptibly()提供了可中断锁来解决此问题。
- 两者都是可以重入的
锁优化
锁消除和锁粗化
这方面的内容请看 【死磕Java并发】—–深入分析synchronized的实现原理
锁消除就是很多次锁的请求合并成一个请求，以降低短时间内大量锁请求、同步、释放带来的性能损耗。例如下面的例子：
public void doSomeThing(){
synchronized(lock){
//do some thing
}
doA();
doB();
synchronized(lock){
//do other thing
}
}
public void doSomeThing(){
synchronized(lock){
doA();
doB();
}
}
锁消除是发生在编译器级别的一种锁优化方式。有时候我们写的代码完全不需要加锁，却执行了加锁操作。例如下面的例子
StringBuffer类的append操作：
@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
toStringCache = null;
super.append(str);
return this;
}
我们的调用代码如下 ：
package com.leeib.thread;
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
long start = System.currentTimeMillis();
int size = 10000;
for (int i = 0; i < size; i++) {
createStringBuffer("Hyes", "为分享技术而生");
}
long timeCost = System.currentTimeMillis() - start;
System.out.println("createStringBuffer:" + timeCost + " ms");
}
public static String createStringBuffer(String str1, String str2) {
StringBuffer sBuf = new StringBuffer();
sBuf.append(str1);// append方法是同步操作
sBuf.append(str2);
return sBuf.toString();
}
}
代码中createStringBuffer方法中的局部对象sBuf，就只在该方法内的作用域有效，不同线程同时调用createStringBuffer()方法时，都会创建不同的sBuf对象，因此此时的append操作若是使用同步操作，就是白白浪费的系统资源。这时我们可以通过编译器将其优化，将锁消除。
synchronized 方法调用底层原理
总结
- 悲观锁和乐观锁的区别在于是否锁住了资源
- CAS 一定程度上解决了锁的性能问题，也存在一些问题（ABA问题，只能保证一个共享变量的原子操作，长时间循环带来的性能问题）
- synchronized 利用了Object 对象头中的锁标志，分锁竞争程度设置锁的等级分别为 ： 无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。其中偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。
- 公平锁和非公平锁在 ReentranLock 中有实现，核心思想是AQS
- 锁粗化是合并多次锁的请求和释放将会带来的性能消耗；锁消除是发生在编译器级别的一种锁优化方式，消除不必要的加锁。
参考资料
- 【死磕Java并发】—–深入分析synchronized的实现原理
- 不可不说的Java“锁”事
- https://www.cnblogs.com/dennyzhangdd/p/6734638.html （源码分析，推荐一看）
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