Java並發機制及鎖的實現原理

標籤：swa   zed   使用   多個   第一個   所有權   輸送量   就是   被佔用   

同步的基本思想

為了保證共用資料在同一時刻只被一個線程使用，我們有一種很簡單的實現思想，就是 

在共用資料裡儲存一個鎖 ，當沒有線程訪問時，鎖是空的。

當有第一個線程訪問時，就 在鎖裡儲存這個線程的標識 並允許這個線程訪問共用資料。

在當前線程釋放共用資料之前，如果再有其他線程想要訪問共用資料，就要 等待鎖釋放 。

 

• 在共用資料裡儲存一個鎖
• 在鎖裡儲存這個線程的標識
• 其他線程訪問已加鎖共用資料要等待鎖釋放

 

Jvm同步的實現

jvm中有以下三種鎖(由上到下越來越“重量級”)：

1. 偏向鎖
2. 輕量級鎖
3. 重量級鎖

 

 

 

重量級鎖

Synchronized 原理

我們直接參考JVM規範中描述：每個對象有一個監視器鎖（monitor）。

 

當monitor被佔用時就會處於鎖定狀態，線程執行monitorenter指令時嘗試擷取monitor的所有權，過程如下：

 

1、如果monitor的進入數為0，則該線程進入monitor，然後將進入數設定為1，該線程即為monitor的所有者。

 

2、如果線程已經佔有該monitor，只是重新進入，則進入monitor的進入數加1.

 

3.如果其他線程已經佔用了monitor，則該線程進入阻塞狀態，直到monitor的進入數為0，再重新嘗試擷取monitor的所有權。

 

 

 

Synchronized的語義底層是通過一個monitor的對象來完成，其實wait/notify等方法也依賴於monitor對象，

 

這就是為什麼只有在同步的塊或者方法中才能調用wait/notify等方法，否則會拋出java.lang.IllegalMonitorStateException的異常的原因。

 

 

Synchronized是通過對象內部的一個叫做監視器鎖（monitor）來實現的。

但是監視器鎖本質又是依賴於底層的作業系統的互斥鎖（Mutex Lock）來實現的。而作業系統實現線程之間的切換這就需要從使用者態轉換到核心態，這個成本非常高，狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，這就是為什麼Synchronized效率低的原因。

因此，這種依賴於作業系統互斥鎖（Mutex Lock）所實現的鎖我們稱之為“重量級鎖”。

 

輕量級鎖 

　　鎖的狀態總共有四種：無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。

   JDK 1.6中預設是開啟偏向鎖和輕量級鎖的，我們也可以通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。

 

輕量級鎖的核心思想就是“被加鎖的代碼不會發生並發，如果發生並發，那就膨脹成重量級鎖(膨脹指的鎖的重量級上升，一旦升級，就不會降級了)”。

   輕量級鎖依賴了一種叫做CAS(compare and swap)的操作。

 

術語定義

術語	英文	說明
CAS	Compare and Swap	比較並設定。 用於在硬體層面上提供原子性操作。 在 Intel 處理器中，比較並交換通過指令cmpxchg實現。比較是否和給定的數值一致，如果一致則修改，不一致則不修改。

偏向鎖

根據輕量級鎖的實現，我們知道雖然輕量級鎖不支援“並發”，遇到“並發”就要膨脹為重量級鎖，但是輕量級鎖可以支援多個線程以串列的方式訪問同一個加鎖對象。

比如A線程可以先擷取對象o的輕量鎖，然後A釋放了輕量鎖，這個時候B線程來擷取o的輕量鎖，是可以成功擷取得，以這種方式可以一直串列下去。

 

之所以能實現這種串列，是因為有一個釋放鎖的動作。那麼假設有一個加鎖的java方法，這個方法在啟動並執行時候其實從始至終只有一個線程在調用，但是每次調用完卻也要釋放鎖，下次調用還要重新獲得鎖。

那麼我們能不能做一個假設：“假設加鎖的代碼從始至終就只有一個線程在調用，如果發現有多於一個線程調用，再膨脹成輕量級鎖也不遲”。這個假設，就是偏向鎖的核心思想。

   偏向鎖依賴了一種叫做CAS(compare and swap)的操作。

 

總結 

　　本文重點介紹了JDk中採用輕量級鎖和偏向鎖等對Synchronized的最佳化，

   但是這兩種鎖也不是完全沒缺點的，比如競爭比較激烈的時候，不但無法提升效率，反而會降低效率，因為多了一個鎖定擴大的過程，這個時候就需要通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。下面是這幾種鎖的對比：

鎖	優點	缺點	適用情境
偏向鎖	加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執行非同步方法比僅存在納秒級的差距。	如果線程間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗。	適用於只有一個線程訪問同步塊情境。
輕量級鎖	競爭的線程不會阻塞，提高了程式的響應速度。	如果始終得不到鎖競爭的線程使用自旋會消耗CPU。	追求回應時間。 同步塊執行速度非常快。
重量級鎖	線程競爭不使用自旋，不會消耗CPU。	線程阻塞，回應時間緩慢。	追求輸送量。 同步塊執行速度較長。

參考如下：

 

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Java並發機制及鎖的實現原理