高并发研究室04-锁的相关技术点

文章主要讲解一些自己对于的一些理解,monitor,lock等等一些技术点

synchronized 与 monitor锁

monitor锁是什么

monitor英文翻译为监视器。java虚拟机中synchronized是基于monitor来实现的同步

每个 Java 对象都可以用作一个实现同步的锁,这个锁也被称为内置锁或 monitor 锁,获得 monitor 锁的唯一途径就是进入由这个锁保护的同步代码块或同步方法,线程在进入被 synchronized 保护的代码块之前,会自动获取锁,并且无论是正常路径退出,还是通过抛出异常退出,在退出的时候都会自动释放锁。

在HotSpot虚拟机中,monitor是由ObjectMonitor实现,使用C++编写实现,具体代码在HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件中。

JVM中可以将monitor看成是实现locl的方式 entermonitor就是获得某个对象的lock(owner是当前线程)

leavemonitor就是释放某个对象的lock

synchronized同步代码与同步方法是不一样的

synchronized 同步代码块

public class SynTest {
    public void synBlock() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("lagou");
        }
    }
}
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编译高并发研究室04-锁的相关技术点 可以把执行 monitorenter 理解为加锁,执行 monitorexit 理解为释放锁,每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为 0,我们来具体看一下 monitorenter 和 monitorexit 的含义:

monitorenter

执行 monitorenter 的线程尝试获得 monitor 的所有权,会发生以下这三种情况之一:

a. 如果该 monitor 的计数为 0,则线程获得该 monitor 并将其计数设置为 1。然后,该线程就是这个 monitor 的所有者。

b. 如果线程已经拥有了这个 monitor ,则它将重新进入,并且累加计数。

c. 如果其他线程已经拥有了这个 monitor,那个这个线程就会被阻塞,直到这个 monitor 的计数变成为 0,代表这个 monitor 已经被释放了,于是当前这个线程就会再次尝试获取这个 monitor。

monitorexit

monitorexit 的作用是将 monitor 的计数器减 1,直到减为 0 为止。代表这个 monitor 已经被释放了,已经没有任何线程拥有它了,也就代表着解锁,所以,其他正在等待这个 monitor 的线程,此时便可以再次尝试获取这个 monitor 的所有权。

同步方法

同步代码块是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的。而对于 synchronized 方法,并不是依靠 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的,被 javap 反汇编后可以看到,synchronized 方法和普通方法大部分是一样的,不同在于,这个方法会有一个叫作 ACC_SYNCHRONIZED 的 flag 修饰符,来表明它是同步方法。

public synchronized void synMethod() {
 
} 
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反编译后 高并发研究室04-锁的相关技术点 被 synchronized 修饰的方法会有一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志。当某个线程要访问某个方法的时候,会首先检查方法是否有 ACC_SYNCHRONIZED 标志,如果有则需要先获得 monitor 锁,然后才能开始执行方法,方法执行之后再释放 monitor 锁。其他方面, synchronized 方法和刚才的 synchronized 代码块是很类似的,例如这时如果其他线程来请求执行方法,也会因为无法获得 monitor 锁而被阻塞。

synchronized 和 Lock

相同点:

  1. synchronized 和 Lock 都是用来保护资源线程安全的。

  2. 都可以保证可见性

    • 线程解锁前(退出synchronized代码块之前),必须把共享变量的最新值刷新到主内存中,也就是说线程退出synchronized代码块值后,主内存中保存的共享变量的值已经是最新的了

    • 线程加锁时(进入synchronized代码块之后),将清空工作内存中共享变量的值,从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值(注意:加锁与解锁需要是同一把锁)

    • 两者结合:线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见。也就是一个线程获取锁然后执行同步代码,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主内存当中,来保证可见性。

  3. synchronized 和 ReentrantLock 都是可重入锁

    • 可重入指的是某个线程如果已经获得了一个锁,现在试图再次请求这个它已经获得的锁,如果它无需提前释放这个锁,而是直接可以继续使用持有的这个锁,那么就是可重入的。类似于锁的嵌套。 不同点:

  4. 用法不同

  • synchronized 关键字可以加在方法上,不需要指定锁对象(此时的锁对象为 this),也可以新建一个同步代码块并且自定义 monitor 锁对象。

  • Lock 接口必须显示用 Lock 锁对象开始加锁 lock() 和解锁 unlock(),并且一般会在 finally 块中确保用 unlock() 来解锁,以防发生死锁。

  1. 加解锁的顺序不同

  • 如果有多把 Lock 锁,Lock 可以不完全按照加锁的反序解锁,比如我们可以先获取 Lock1 锁,再获取 Lock2 锁,解锁时则先解锁 Lock1,再解锁 Lock2,加解锁有一定的灵活度,如代码所示。

lock1.lock();
lock2.lock();
...
lock1.unlock();
lock2.unlock();
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  • synchronized 解锁的顺序和加锁的顺序必须完全相反,先对 obj1 加锁,然后对 obj2 加锁,然后对 obj2 解锁,最后解锁 obj1。这是因为 synchronized 加解锁是由 JVM 实现的,在执行完 synchronized 块后会自动解锁,所以会按照 synchronized 的嵌套顺序加解锁,不能自行控制。

synchronized(obj1){
    synchronized(obj2){
        ...
    }
}
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  1. synchronized 没有lock灵活

  • 一旦 synchronized 锁已经被某个线程获得了,此时其他线程如果还想获得,那它只能被阻塞,直到持有锁的线程运行完毕或者发生异常从而释放这个锁。如果持有锁的线程持有很长时间才释放,那么整个程序的运行效率就会降低,而且如果持有锁的线程永远不释放锁,那么尝试获取锁的线程只能永远等下去。

  • 相比之下,Lock 类在等锁的过程中,如果使用的是 lockInterruptibly 方法,那么如果觉得等待的时间太长了不想再继续等待,可以中断退出,也可以用 tryLock() 等方法尝试获取锁,如果获取不到锁也可以做别的事,更加灵活。

  1. synchronized 锁只能同时被一个线程拥有,但是 Lock 锁没有这个限制

  • 在读写锁中的读锁,是可以同时被多个线程持有的,可是 synchronized 做不到。

  1. 性能区别

  • Java 5 以及之前,synchronized 的性能比较低,但是到了 Java 6 以后,发生了变化,因为 JDK 对 synchronized 进行了很多优化,比如自适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁、偏向锁等,所以后期的 Java 版本里的 synchronized 的性能并不比 Lock 差。

  1. 是否可以设置公平/非公平

  • 公平锁是指多个线程在等待同一个锁时,根据先来后到的原则依次获得锁。ReentrantLock 等 Lock 实现类可以根据自己的需要来设置公平或非公平,synchronized 则不能设置,synchronized只能是非公平锁。

如何选择

《Java 并发编程实战》和 《Java 核心技术》里都认为:

  1. 如果能不用最好既不使用 Lock 也不使用 synchronized。因为在许多情况下你可以使用 java.util.concurrent 包中的机制,它会为你处理所有的加锁和解锁操作,也就是推荐优先使用工具类来加解锁。

  2. 如果 synchronized 关键字适合你的程序, 那么请尽量使用它,这样可以减少编写代码的数量,减少出错的概率。因为一旦忘记在 finally 里 unlock,代码可能会出很大的问题,而使用 synchronized 更安全。

  3. 如果特别需要 Lock 的特殊功能,比如尝试获取锁、可中断、超时功能等,才使用 Lock。

Lock讲解

Lock 接口是 Java 5 引入的,最常见的实现类是 ReentrantLock,可以起到“锁”的作用。

Lock方法

  1. void lock(); //加锁

  2. void lockInterruptibly() throws InterruptedException;

  3. boolean tryLock();

  4. boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;

  5. void unlock(); //解锁

tryLock()

tryLock() 用来尝试获取锁,如果当前锁没有被其他线程占用,则获取成功,返回 true,否则返回 false,代表获取锁失败。相比于 lock(),这样的方法显然功能更强大,我们可以根据是否能获取到锁来决定后续程序的行为。

因为该方法会立即返回,即便在拿不到锁时也不会一直等待,所以通常情况下,我们用 if 语句判断 tryLock() 的返回结果,根据是否获取到锁来执行不同的业务逻辑,典型使用方法如下。

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
     try{
         //处理任务
     }finally{
         lock.unlock();   //释放锁
     } 
}else {
    //如果不能获取锁,则做其他事情
}
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tryLock(long time, TimeUnit unit)

tryLock() 的重载方法是 tryLock(long time, TimeUnit unit),这个方法和 tryLock() 很类似,区别在于 tryLock(long time, TimeUnit unit) 方法会有一个超时时间,在拿不到锁时会等待一定的时间,如果在时间期限结束后,还获取不到锁,就会返回 false;如果一开始就获取锁或者等待期间内获取到锁,则返回 true。

这个方法解决了 lock() 方法容易发生死锁的问题,使用 tryLock(long time, TimeUnit unit) 时,在等待了一段指定的超时时间后,线程会主动放弃这把锁的获取,避免永久等待;在等待的期间,也可以随时中断线程,这就避免了死锁的发生。本方法和下面介绍的 lockInterruptibly() 是非常类似的,让我们来看一下 lockInterruptibly() 方法。

lockInterruptibly()

这个方法的作用就是去获取锁,如果这个锁当前是可以获得的,那么这个方法会立刻返回,但是如果这个锁当前是不能获得的(被其他线程持有),那么当前线程便会开始等待,除非它等到了这把锁或者是在等待的过程中被中断了,否则这个线程便会一直在这里执行这行代码。一句话总结就是,除非当前线程在获取锁期间被中断,否则便会一直尝试获取直到获取到为止。

顾名思义,lockInterruptibly() 是可以响应中断的。相比于不能响应中断的 synchronized 锁,lockInterruptibly() 可以让程序更灵活,可以在获取锁的同时,保持对中断的响应。我们可以把这个方法理解为超时时间是无穷长的 tryLock(long time, TimeUnit unit),因为 tryLock(long time, TimeUnit unit) 和 lockInterruptibly() 都能响应中断,只不过 lockInterruptibly() 永远不会超时。

这个方法本身是会抛出 InterruptedException 的,所以使用的时候,如果不在方法签名声明抛出该异常,那么就要写两个 try 块,如下所示。

public void lockInterruptibly() {
        try {
            lock.lockInterruptibly();
            try {
                System.out.println("操作资源");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
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读写锁 ReadWriteLock

读写锁的好处:

在没有读写锁之前,我们假设使用普通的 ReentrantLock,那么虽然我们保证了线程安全,但是也浪费了一定的资源,因为如果多个读操作同时进行,其实并没有线程安全问题,我们可以允许让多个读操作并行,以便提高程序效率。

但是写操作不是线程安全的,如果多个线程同时写,或者在写的同时进行读操作,便会造成线程安全问题。

我们的读写锁就解决了这样的问题,它设定了一套规则,既可以保证多个线程同时读的效率,同时又可以保证有写入操作时的线程安全。

整体思路是它有两把锁,第 1 把锁是写锁,获得写锁之后,既可以读数据又可以修改数据,而第 2 把锁是读锁,获得读锁之后,只能查看数据,不能修改数据。读锁可以被多个线程同时持有,所以多个线程可以同时查看数据。

在读的地方合理使用读锁,在写的地方合理使用写锁,灵活控制,可以提高程序的执行效率。

读写锁的获取规则

  1. 如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请读锁,可以申请成功。

  2. 如果有一个线程已经占用了读锁,则此时其他线程如果要申请写锁,则申请写锁的线程会一直等待释放读锁,因为读写不能同时操作。

  3. 如果有一个线程已经占用了写锁,则此时其他线程如果申请写锁或者读锁,都必须等待之前的线程释放写锁,同样也因为读写不能同时,并且两个线程不应该同时写。

总结:要么是一个或多个线程同时有读锁,要么是一个线程有写锁,但是两者不会同时出现。也可以总结为:读读共享、其他都互斥(写写互斥、读写互斥、写读互斥)

例子

/**
 * 描述:     演示读写锁用法
 */
public class ReadWriteLockDemo {

    private static final ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(
            false);
    private static final ReentrantReadWriteLock.ReadLock readLock = reentrantReadWriteLock
            .readLock();
    private static final ReentrantReadWriteLock.WriteLock writeLock = reentrantReadWriteLock
            .writeLock();

    private static void read() {
        readLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到读锁,正在读取");
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放读锁");
            readLock.unlock();
        }
    }

    private static void write() {
        writeLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "得到写锁,正在写入");
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放写锁");
            writeLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> read()).start();
        new Thread(() -> read()).start();
        new Thread(() -> write()).start();
        new Thread(() -> write()).start();
    }
}
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高并发研究室04-锁的相关技术点 很明显读锁是共享的,写锁是互斥

ReentrantReadWriteLock 也是设置公平/不公平

默认是公平锁 公平锁:

ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(true);
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非公平锁:

ReentrantReadWriteLock reentrantReadWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(false);
复制代码

读写锁的升级(切换)

final static ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();

    public static void main(String[] args) {
        //readChangeWrite();
        writeChangeRead();
    }

    public static void readChangeWrite() {
        rwl.readLock().lock();
        System.out.println("获取到了读锁");
        rwl.writeLock().lock();
        System.out.println("成功切换");
    }

    public static void writeChangeRead() {
        rwl.writeLock().lock();
        System.out.println("获取到了写锁");
        rwl.readLock().lock();
        System.out.println("成功升级");
    }
复制代码

如上述代码 readChangeWrite方法执行阻塞 writeChangeRead执行成功。总结写锁可以升级读锁 ,读锁不能升级为写锁。

自旋锁

定义:通过自旋等待锁的释放,也就是会一直循环尝试获取锁,失败就尝试,知道成功为止。

非自旋锁:发现此时获取不到锁,它就把自己的线程切换状态,让线程休眠,然后 CPU 就可以在这段时间去做很多其他的事情,直到之前持有这把锁的线程释放了锁,于是 CPU 再把之前的线程恢复回来,让这个线程再去尝试获取这把锁。如果再次失败,就再次让线程休眠,如果成功,一样可以成功获取到同步资源的锁。

自旋和非自旋锁的区别:自旋耗费了cpu的资源,但是节省了线程的上下文切换。非自旋耗费了线程的上下文切换,节省了cpu.

使用场景

自旋锁适用于并发度不是特别高的场景,以及临界区(平均耗时)比较短小的情况,这样我们可以利用避免线程切换来提高效率。

可是如果临界区很大,线程一旦拿到锁,很久才会释放的话,那就不合适用自旋锁,因为自旋会一直占用 CPU 却无法拿到锁,白白消耗资源。

JVM对锁的优化

自适应的自旋锁

在 JDK 1.6 中引入了自适应的自旋锁来解决长时间自旋的问题。自适应意味着自旋的时间不再固定,而是会根据最近自旋尝试的成功率、失败率,以及当前锁的拥有者的状态等多种因素来共同决定。自旋的持续时间是变化的,自旋锁变“聪明”了。比如,如果最近尝试自旋获取某一把锁成功了,那么下一次可能还会继续使用自旋,并且允许自旋更长的时间;但是如果最近自旋获取某一把锁失败了,那么可能会省略掉自旋的过程,以便减少无用的自旋,提高效率。

锁消除

经过逃逸分析之后,如果发现某些对象不可能被其他线程访问到,那么就可以把它们当成栈上数据,栈上数据由于只有本线程可以访问,自然是线程安全的,也就无需加锁,所以会把这样的锁给自动去除掉。

例如,我们的 StringBuffer 的 append 方法如下所示:

@Override
public synchronized StringBuffer append(Object obj) {
    toStringCache = null;
    super.append(String.valueOf(obj));
    return this;
}
复制代码

从代码中可以看出,这个方法是被 synchronized 修饰的同步方法,因为它可能会被多个线程同时使用。

但是在大多数情况下,它只会在一个线程内被使用,如果编译器能确定这个 StringBuffer 对象只会在一个线程内被使用,就代表肯定是线程安全的,那么我们的编译器便会做出优化,把对应的 synchronized 给消除,省去加锁和解锁的操作,以便增加整体的效率。

锁粗化

如果我们释放了锁,紧接着什么都没做,又重新获取锁,例如下面这段代码所示:

public void lockCoarsening() {
    synchronized (this) {
        //do something
    }
    synchronized (this) {
        //do something
    }
    synchronized (this) {
        //do something
    }
}
复制代码

那么其实这种释放和重新获取锁是完全没有必要的,如果我们把同步区域扩大,也就是只在最开始加一次锁,并且在最后直接解锁,那么就可以把中间这些无意义的解锁和加锁的过程消除,相当于是把几个 synchronized 块合并为一个较大的同步块。这样做的好处在于在线程执行这些代码时,就无须频繁申请与释放锁了,这样就减少了性能开销。

缺点: 如果在循环中也这样做会扩大同步范围,导致整个循环都是同步的,其他线程长时间无法获得锁。代码如下:

for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    synchronized (this) {
        //do something
    }
}
复制代码

锁粗化功能是默认打开的,用 -XX:-EliminateLocks 可以关闭该功能。

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这个在上一篇中详细讲了,这里再大致讲一下 这三种锁是特指 synchronized 锁的状态的,通过在对象头中的 mark word 来表明锁的状态。

偏向锁

对于偏向锁而言,它的思想是如果自始至终,对于这把锁都不存在竞争,那么其实就没必要上锁,只要打个标记就行了。一个对象在被初始化后,如果还没有任何线程来获取它的锁时,它就是可偏向的,当有第一个线程来访问它尝试获取锁的时候,它就记录下来这个线程,如果后面尝试获取锁的线程正是这个偏向锁的拥有者,就可以直接获取锁,开销很小。

轻量级锁

JVM 的开发者发现在很多情况下,synchronized 中的代码块是被多个线程交替执行的,也就是说,并不存在实际的竞争,或者是只有短时间的锁竞争,用 CAS 就可以解决。这种情况下,重量级锁是没必要的。轻量级锁指当锁原来是偏向锁的时候,被另一个线程所访问,说明存在竞争,那么偏向锁就会升级为轻量级锁,线程会通过自旋的方式尝试获取锁,不会阻塞。

重量级锁

这种锁利用操作系统的同步机制实现,所以开销比较大。当多个线程直接有实际竞争,并且锁竞争时间比较长的时候,此时偏向锁和轻量级锁都不能满足需求,锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请却拿不到锁的线程进入阻塞状态。

锁升级的路径

JVM 默认会优先使用偏向锁,如果有必要的话才逐步升级,这大幅提高了锁的性能。 高并发研究室04-锁的相关技术点

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原文 

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