锁简介
java多线程的锁都是基于对象的,每个对象都可以作为一个锁。类锁也是对象锁
java6以后,一个对象分为了4种锁的状态,级别由低到高依次是:
- 无锁状态
- 偏向锁状态
- 轻量级锁状态
- 重量级锁状态
java对象头
每个Java对象都有对象头。如果是非数组类型,则用2个字宽来存储对象头,如果是数组,则会用3个字宽来存储对象头。在32位处理器中,一个字宽是32位;在64位虚拟机中,一个字宽是64位。对象头的内容如下表:
长度 | 内容 | 说明 |
---|---|---|
32/64bit | Mark Word | 存储对象的hashCode或锁信息等 |
32/64bit | Class Metadata Address | 存储到对象类型数据的指针 |
32/64bit | Array length | 数组的长度(如果是数组) |
我们主要来看看Mark Word的格式:
锁状态 | 29 bit 或 61 bit | 1 bit 是否是偏向锁? | 2 bit 锁标志位 |
---|---|---|---|
无锁 | 0 | 01 | |
偏向锁 | 线程ID | 1 | 01 |
轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 | 此时这一位不用于标识偏向锁 | 00 |
重量级锁 | 指向互斥量(重量级锁)的指针 | 此时这一位不用于标识偏向锁 | 10 |
GC标记 | 此时这一位不用于标识偏向锁 | 11 |
可以看到,当对象状态为偏向锁时,Mark Word
存储的是偏向的线程ID;当状态为轻量级锁时,Mark Word
存储的是指向线程栈中Lock Record
的指针;当状态为重量级锁时,Mark Word
为指向堆中的monitor对象的指针。
1、偏向锁:
Hotspot的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,于是引入了偏向锁。
偏向锁会偏向于第一个访问锁的线程,如果在接下来的运行过程中,该锁没有被其他的线程访问,则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。也就是说,偏向锁在资源无竞争情况下消除了同步语句,连CAS操作都不做了,提高了程序的运行性能。
就是对锁置个变量,如果发现为true,代表资源无竞争,则无需再走各种加锁/解锁流程。如果为false,代表有其他线程竞争资源,那么走后面的流程。
实现原理:
一个线程在第一次进入同步块时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁的偏向的线程ID。当下次该线程进入这个同步块时,会去检查锁的Mark Word里面是不是放的自己的线程ID。
如果是,表明该线程已经获得了锁,以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁 ;如果不是,就代表有另一个线程来竞争这个偏向锁。这个时候会尝试使用CAS来替换Mark Word里面的线程ID为新线程的ID,这个时候要分两种情况:
- 成功,表示之前的线程不存在了,Mark Word里面的线程ID为新线程的ID,锁不会升级,仍然为偏向锁;
- 失败,表示之前的线程仍然存在,那么暂停之前的线程,设置偏向锁标识为0,并设置锁标志位为00,升级为轻量级锁,会按照轻量级锁的方式进行竞争锁。
CAS:Compare and Swap.
比较并设置。用于在硬件层面上提供原子性操作。在 Intel 处理器中,比较并交换通过指令cmpxchg实现。 比较是否和给定的数值一致,如果一致则修改,不一致则不修改。
过程:
2、轻量级锁
多个线程在不同时段获取同一把锁,即在不存在锁竞争的情况下,也就没有线程阻塞。针对这种情况,JVM采用轻量级锁来避免线程的阻塞与唤醒。
轻量级锁释放:
在释放锁时,当前线程会使用CAS操作将Displaced Mark Word的内容复制回锁的Mark Word里面。如果没有发生竞争,那么这个复制的操作会成功。如果有其他线程因为自旋多次导致轻量级锁升级成了重量级锁,那么CAS操作会失败,此时会释放锁并唤醒被阻塞的线程。
3、重量级锁
重量级锁依赖于操作系统的互斥量(mutex) 实现的,而操作系统中线程间状态的转换需要相对比较长的时间,所以重量级锁效率很低,但被阻塞的线程不会消耗CPU。
前面说到,每一个对象都可以当做一个锁,当多个线程同时请求某个对象锁时,对象锁会设置几种状态用来区分请求的线程:
Contention List:所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列
Entry List:Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List
Wait Set:那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set
OnDeck:任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁,该线程称为OnDeck
Owner:获得锁的线程称为Owner
!Owner:释放锁的线程
锁的升级流程
每一个线程在准备获取共享资源时:
-
第一步,检查MarkWord里面是不是放的自己的ThreadId ,如果是,表示当前线程是处于 “偏向锁” 。
-
第二步,如果MarkWord不是自己的ThreadId,锁升级,这时候,用CAS来执行切换,新的线程根据MarkWord里面现有的ThreadId,通知之前线程暂停,之前线程将Markword的内容置为空。
-
第三步,两个线程都把锁对象的HashCode复制到自己新建的用于存储锁的记录空间,接着开始通过CAS操作, 把锁对象的MarKword的内容修改为自己新建的记录空间的地址的方式竞争MarkWord。
-
第四步,第三步中成功执行CAS的获得资源,失败的则进入自旋 。
-
第五步,自旋的线程在自旋过程中,成功获得资源(即之前获的资源的线程执行完成并释放了共享资源),则整个状态依然处于 轻量级锁的状态,如果自旋失败 。
-
第六步,进入重量级锁的状态,这个时候,自旋的线程进行阻塞,等待之前线程执行完成并唤醒自己。
锁的分类
一、分类
1、可重入锁和非可重入锁
所谓重入锁,顾名思义。就是支持重新进入的锁,也就是说这个锁支持一个线程对资源重复加锁。
synchronized关键字就是使用的重入锁。比如说,你在一个synchronized实例方法里面调用另一个本实例的synchronized实例方法,它可以重新进入这个锁,不好出现任何异常。
如果我们自己在继承AQS实现同步器的时候,没有考虑到占有锁的线程再次获取锁的场景,可能就会导致线程阻塞,那这个就是一个“非可重入锁”。
ReentrantLock
的中文意思就是可重入锁。也是本文后续要介绍的重点类。
2、公平锁与非公平锁
这里的“公平”,其实通俗意义来说就是“先来后到”,也就是FIFO。如果对一个锁来说,先对锁获取请求的线程一定会先被满足,后对锁获取请求的线程后被满足,那这个锁就是公平的。反之,那就是不公平的。
一般情况下,非公平锁能提升一定的效率。但是非公平锁可能会发生线程饥饿(有一些线程长时间得不到锁)的情况。所以要根据实际的需求来选择非公平锁和公平锁。
ReentrantLock支持非公平锁和公平锁两种。
3、读写锁和排它锁
我们前面讲到的synchronized用的锁和ReentrantLock,其实都是“排它锁”。也就是说,这些锁在同一时刻只允许一个线程进行访问。
而读写锁可以在同一时刻允许多个读线程访问。Java提供了ReentrantReadWriteLock类作为读写锁的默认实现,内部维护了两个锁:一个读锁,一个写锁。通过分离读锁和写锁,使得在“读多写少”的环境下,大大地提高了性能。
注意,即使用读写锁,在写线程访问时,所有的读线程和其它写线程均被阻塞。
可见,只是synchronized是远远不能满足多样化的业务对锁的要求的。接下来我们介绍一下JDK中有关锁的一些接口和类。
4、乐观锁和悲观锁
-
乐观锁:
- 乐观锁是一种乐观思想,即认为读多写少,遇到并发写的可能性低,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新时会判断此期间数据是否被更新
- 采取在写时先读出当前版本号,然后加锁操作(比较跟上一次的版本号,如果一样则更新),如果失败则要重复读-比较-写的操作
- java 中的乐观锁基本通过 CAS 操作实现的,CAS 是一种更新的原子操作,比较当前值跟传入值是否一样,一样则更新,否则失败
-
悲观锁:
- 悲观锁是就是悲观思想,即认为写多,遇到并发写的可能性高,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在读写数据的时候都会上锁,这样别人想读写这个数据就会 block 直到拿到锁Java 中的悲观锁就是Synchronized,AQS 框架下的锁则是先尝试 cas 乐观锁去获取锁,获取不到,
才会转换为悲观锁,如 RetreenLock
二、JDK中有关锁的一些接口和类
JDK中关于并发的类大多都在java.util.concurrent
1、抽象类AQS/AQLS/AOS
AQS里面的“资源”是用一个int
类型的数据来表示的,有时候我们的业务需求资源的数量超出了int
的范围,所以在JDK 1.6 中,多了一个AQLS(AbstractQueuedLongSynchronizer)。它的代码跟AQS几乎一样,只是把资源的类型变成了long
类型。
AQS和AQLS都继承了一个类叫AOS(AbstractOwnableSynchronizer)。这个类也是在JDK 1.6 中出现的。这个类只有几行简单的代码。从源码类上的注释可以知道,它是用于表示锁与持有者之间的关系(独占模式)。
2、接口Condition/Lock/ReadWriteLock
juc.locks包下共有三个接口:Condition
、Lock
、ReadWriteLock
。其中,Lock和ReadWriteLock从名字就可以看得出来,分别是锁和读写锁的意思。Lock接口里面有一些获取锁和释放锁的方法声明,而ReadWriteLock里面只有两个方法,分别返回“读锁”和“写锁”:
public interface ReadWriteLock {
Lock readLock();
Lock writeLock();
}
Lock接口中有一个方法是可以获得一个Condition
:
Condition newCondition();
每个对象都可以用继承自Object
的wait/notify方法来实现等待/通知机制。而Condition接口也提供了类似Object监视器的方法,通过与Lock配合来实现等待/通知模式。
那为什么既然有Object的监视器方法了,还要用Condition呢?这里有一个二者简单的对比:
对比项 | Object监视器 | Condition |
---|---|---|
前置条件 | 获取对象的锁 | 调用Lock.lock获取锁,调用Lock.newCondition获取Condition对象 |
调用方式 | 直接调用,比如object.notify() | 直接调用,比如condition.await() |
等待队列的个数 | 一个 | 多个 |
当前线程释放锁进入等待状态 | 支持 | 支持 |
当前线程释放锁进入等待状态,在等待状态中不中断 | 不支持 | 支持 |
当前线程释放锁并进入超时等待状态 | 支持 | 支持 |
当前线程释放锁并进入等待状态直到将来的某个时间 | 不支持 | 支持 |
唤醒等待队列中的一个线程 | 支持 | 支持 |
唤醒等待队列中的全部线程 | 支持 | 支持 |
3、ReentrantLock
ReentrantLock是一个非抽象类,它是Lock接口的JDK默认实现,实现了锁的基板功能。从名字上看,它是一个”可重入“锁,从源码上看,它内部有一个抽象类Sync
,是继承了AQS,自己实现的一个同步器。同时,ReentrantLock内部有两个非抽象类NonfairSync
和FairSync
,它们都继承Sync。从名字上看得出,分别是”非公平同步器“和”公平同步器“的意思。这意味着ReentrantLock可以支持”公平锁“和”非公平锁“。
通过看这两个同步器的源码可以发现,它们的实现都是”独占“的。都调用了AOS的setExclusiveOwnerThread
方法,所以ReentrantLock的锁是”独占“的,也就是说,它的锁都是”排他锁“,不能共享。
在ReentrantLock的构造方法里,可以传入一个boolean
类型的参数,来指定它是否是一个公平锁,默认情况下是非公平的。这个参数一旦实例化后就不能修改,只能通过isFair()
方法来查看。
4、ReentrantReadWriteLock
这个类也是一个非抽象类,**它是ReadWriteLock接口的JDK默认实现。**它与ReentrantLock的功能类似,同样是可重入的,支持非公平锁和公平锁。不同的是,它还支持”读写锁“。
ReentrantReadWriteLock实现了读写锁,但它有一个小弊端,就是在“写”操作的时候,其它线程不能写也不能读。我们称这种现象为“写饥饿”,将在后文的StampedLock类继续讨论这个问题。
5、StampedLock
StampedLock
类是在Java 8 才发布的。它没有实现Lock接口和ReadWriteLock接口,但它其实是实现了“读写锁”的功能,并且性能比ReentrantReadWriteLock更高。StampedLock还把读锁分为了“乐观读锁”和“悲观读锁”两种。
前面提到了ReentrantReadWriteLock会发生“写饥饿”的现象,但StampedLock不会。它是怎么做到的呢?它的核心思想在于,在读的时候如果发生了写,应该通过重试的方式来获取新的值,而不应该阻塞写操作。这种模式也就是典型的无锁编程思想,和CAS自旋的思想一样。这种操作方式决定了StampedLock在读线程非常多而写线程非常少的场景下非常适用,同时还避免了写饥饿情况的发生。