详解Java多线程锁之synchronized (2)

大部分时候,共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间,为了这段时间去挂起和恢复线程并不值得。如果能让两个或以上的线程同时并行执行,我们就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一下”,但不放弃处理器的执行时间,看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。这项技术就是所谓的自旋锁。
自旋等待的时间必须要有一定的限度,如果自旋超过了限定的次数仍然没有获取到锁,则该线程应该被挂起。在JDK1.6中引入了自适应的自旋锁,自适应意味着自旋的时间不再固定,而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。

所谓自旋,不是获取不到就阻塞,而是在原地等待一会儿,再次尝试(当然次数或者时长有限),他是以牺牲CPU为代价来换取内核状态切换带来的开销。借助于适应性自旋,可以在CPU时间片的损耗和内核状态的切换开销之间相对的找到一个平衡,进而能够提高性能

偏向锁

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,为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头的锁记录里存储锁偏向的线程ID,以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁,只需简单地测试一下对象头的MarkWord里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功,表示线程已经获得了锁。如果测试失败,则需要再测试一下MarkWord中偏向锁的标识是否设置成1(表示当前是偏向锁):如果没有设置,则使用CAS竞争锁;如果设置了,则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程,如果失败则进行轻量锁的升级。

偏向锁

轻量级锁

如果说偏向锁是只允许一个线程获得锁,那么轻量级锁就是允许多个线程获得锁,但是只允许他们顺序拿锁,不允许出现竞争,也就是拿锁失败的情况,轻量级锁的步骤如下:

线程1在执行同步代码块之前,JVM会先在当前线程的栈帧中创建一个空间用来存储锁记录,然后再把对象头中的MarkWord复制到该锁记录中,官方称之为DisplacedMarkWord。然后线程尝试使用CAS将对象头中的MarkWord替换为指向锁记录的指针。如果成功,则获得锁,进入步骤3)。如果失败执行步骤2)

线程自旋,自旋成功则获得锁,进入步骤3)。自旋失败,则膨胀成为重量级锁,并把锁标志位变为10,线程阻塞进入步骤3)

锁的持有线程执行同步代码,执行完CAS替换MarkWord成功释放锁,如果CAS成功则流程结束,CAS失败执行步骤4)

CAS执行失败说明期间有线程尝试获得锁并自旋失败,轻量级锁升级为了重量级锁,此时释放锁之后,还要唤醒等待的线程

轻量级锁

重量级锁

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,如果自旋失败则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,需要从用户态切换到内核态实现。(当竞争竞争激烈时,线程直接进入阻塞状态。不过在高版本的JVM中不会立刻进入阻塞状态而是会自旋一小会儿看是否能获取锁如果不能则进入阻塞状态。)

总结

可以简单总结是如下场景:

只有一个线程进入加锁区,锁状态是偏向锁

多个线程交替进入加锁区,锁状态可能是轻量级锁

多线程同时进入加锁区,锁状态可能是重量级锁

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