Sync锁详解

代码示例:

public class Demo {
   
   private  static Object object=new Object();
   
   public static void main(String[] args) {
      synchronized (object){}
      System.out.println("Test");
   }

}

通过javap -v 反汇编class文件。

Sync锁的确是传了一个对象进来,如上例是object ,但实际上对象的monitor才是真正的锁。JVM会创建一个C++的monitor(监视器)对象,

monitor里面包含 : owner (拥有锁的线程)  recursions(记录锁的次数)

比如T1线程执行到同步代码块,就会找到改对象的monitor(实际上的锁),查看别的线程有没有拿到该monitor,如果没有,就会把owner变成T1,并且recursions变成1.如果同步代码块里还有Sync锁,并且锁的对象还是object这个对象,那么就会变成重入锁,并且recursion变成2,每跳出一个同步代码块,那么recursion就会-1。减到0的时候,该线程就会退出monitor,退出锁。  当T1线程正在执行,此时来个T2线程,也来竞争这把锁,发现monitor对象中的owner不是T2,那么T2就会进入阻塞状态。

Sync出现异常会释放锁吗?  会的。同步代码块中如果出现异常,会释放。

Sync锁加在方法体上时,反汇编后,会增加ACC_Sync修饰。会隐式调用monitorrenter和monitorrexit。在执行同步方法之前,调用monitorrenter,方法结束后会调用monitorr

exit。

monitor锁对象原理  :  在Java中new一个对象,对象会放在堆中 。一个对象会包含对象头(monitor对象)实例数据。​​​​​​​

Monitor的结构:

Entrylist  :因为Sync本身是非公平的,等了一轮的线程还没有抢到锁,就是block阻塞状态,会放入Entrylist中

owner:拥有锁的线程

WaitSet : 线程抢到了锁,但是执行了wait()方法,进入wait状态,进入watiSet中。

Sync锁本身是非公平锁。

实际上1.6之前的Sync锁是性能不太好的,是非常重的锁(重量级锁)。

执行同步代码块 ,没有竞争到锁的线程会被park()挂起,竞争到锁的线程会unpark()唤醒,此时会存在操作系统中用户态和内核态的转换。会消耗大量的系统资源。

JDK1.6之后的优化 :

重量级锁 :只有一个线程能获取锁,其他线程被迫进入阻塞队列,空等,消耗cpu资源。

实际业务中 : 虽然为了保证安全必须加锁,但是并不一定会使用很多线程 ,所以引入了偏向锁的概念: 让下一次锁资源竞争时,更容易把锁分配给上一次抢到资源的锁 (example:给上次的线程加个id,下次去抢线程时直接报上姓名,让锁能识别这个线程,ok,再分给它资源)

这样可以解决很多只有一个线程的业务,增加效率。

如果很多个线程开始抢资源,ok,这时候锁升级成为轻量级锁(CAS轻度竞争(比对是不是释放锁了))。

引申: 轻量级锁不一定比重量级锁性能高。(大量线程等待加锁,在自旋的过程中浪费CPU资源)。如果大量线程自旋的消耗,大于CPU进行一次线程上下文切换的时间,就会认为此时使用CAS不划算,不如直接转成重量级锁节约资源 (这大概就是锁膨胀(升级)的过程)

升级锁是根据一个参数 markword

以下是流程图:

<think>首先,用户的问题是关于深入理解Golang中sync.Cond的使用和原理。我需要提供详细解析,包括使用方法和原理说明。 系统级指令要求: - 所有行内数学表达式用$...$格式,但这个问题是关于Golang的,可能不涉及数学表达式。所以,我应该避免不必要的数学,除非有相关。 - 独立公式用$$...$$,但同样,可能不适用。 - LaTeX语法正确:确保任何公式正确。 - 使用中文回答:整个回答用中文。 - 生成相关问题:在回答末尾添加相关问题。 - 引用段落末尾添加引用标识:如[^1],但用户没有提供引用源,所以我需要基于一般知识。用户说“参考站内引用:”,但没指定,所以我假设没有具体引用,但要自然地添加标识。指令说“引用的段落末尾”,意思是如果引用外部内容,添加标识。既然没有提供,我应该避免虚构引用,或者基于常识添加。 用户可见层要求: - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 保证回答真实可靠:基于我的知识,sync.Cond是Golang的同步原语。 关键点: - sync.Cond是什么:条件变量,用于goroutine间的同步。 - 使用方法:如何创建、使用、等待和通知。 - 原理说明:内部机制,如何与互斥工作。 结构化回答: 1. 介绍sync.Cond:定义和用途。 2. 使用方法:代码示例。 3. 原理:内部工作原理。 4. 注意事项:常见错误和最佳实践。 5. 生成相关问题。 使用中文回答。 生成相关问题:在末尾添加相关问题。 引用标识:如果引用外部内容,添加。但用户没提供,所以我需要基于标准文档或知识。或许在解释原理时,提到Golang文档或相关资源。 大纲: - 引言:简述sync.Cond。 - 使用方法:步骤和代码。 - 原理:底层实现。 - 总结。 - 相关问题。 代码示例:用代码块展示。 确保LaTeX:如果涉及公式,如时间复杂性,但可能不必要。 最后,添加相关问题。</think>### Golang sync.Cond 详细解析 在 Golang 中,`sync.Cond` 是一个条件变量(Condition Variable),用于实现 goroutine 间的同步通信。它通常与互斥(如 `sync.Mutex`)结合使用,解决生产者-消费者问题或等待特定条件的场景。条件变量允许 goroutine 在条件不满足时挂起等待,并在条件变化时被唤醒。下面我将从使用方法、原理说明等方面进行详细解析,帮助您深入理解。本解析基于 Golang 官方文档和标准库实现[^1]。 #### 1. sync.Cond 的使用方法 `sync.Cond` 的核心方法包括 `Wait()`、`Signal()` 和 `Broadcast()`。使用前必须先创建一个 `sync.Cond` 实例,通常需要一个互斥作为参数。以下是使用步骤和代码示例: **步骤:** 1. **创建条件变量**:通过 `sync.NewCond(l Locker)` 创建,其中 `l` 是实现了 `Locker` 接口的对象(如 `sync.Mutex`)。 2. **等待条件**:在 goroutine 中调用 `Wait()` 方法挂起当前 goroutine,直到条件满足。`Wait()` 会自动释放,并在唤醒后重新获取。 3. **通知唤醒**:使用 `Signal()` 唤醒一个等待的 goroutine,或 `Broadcast()` 唤醒所有等待的 goroutine。 4. **保护共享资源**:在操作共享变量时,必须使用互斥和解。 **代码示例:** 以下是一个生产者-消费者模型的简单实现。生产者向队列添加数据,消费者在队列非空时消费数据。 ```go package main import ( "fmt" "sync" "time" ) func main() { var mu sync.Mutex cond := sync.NewCond(&mu) // 创建条件变量,基于互斥 queue := []int{} // 共享队列 // 消费者 goroutine go func() { for { mu.Lock() // 加保护共享资源 for len(queue) == 0 { cond.Wait() // 队列为空时挂起等待 } item := queue[0] queue = queue[1:] fmt.Printf("消费者消费: %d\n", item) mu.Unlock() // 解 } }() // 生产者 goroutine go func() { for i := 1; i <= 5; i++ { mu.Lock() // 加 queue = append(queue, i) fmt.Printf("生产者生产: %d\n", i) cond.Signal() // 唤醒一个等待的消费者 mu.Unlock() // 解 time.Sleep(1 * time.Second) } }() time.Sleep(6 * time.Second) // 等待所有操作完成 } ``` **代码说明:** - **`cond.Wait()`**:消费者在队列为空时调用,挂起自身。`Wait()` 内部会自动释放(`mu`),允许生产者获取;当被唤醒时,它会重新获取。 - **`cond.Signal()`**:生产者添加数据后调用,唤醒一个等待的消费者。如果需要唤醒所有等待者,使用 `cond.Broadcast()`。 - **互斥保护**:所有对 `queue` 的操作都在 `mu.Lock()` 和 `mu.Unlock()` 之间,确保共享资源安全。 - **注意事项**: - 在调用 `Wait()` 前,必须持有,否则可能导致竞态条件。 - `Wait()` 方法应放在循环中检查条件(如 `for len(queue) == 0`),避免虚假唤醒(spurious wakeup)。 - 使用 `Signal()` 或 `Broadcast()` 后,应尽快解,以减少竞争。 #### 2. sync.Cond 的原理说明 `sync.Cond` 的底层实现基于 Golang 的运行时调度器(scheduler)和等待队列(wait queue)。以下是关键原理: **内部结构:** `sync.Cond` 的结构体包含一个互斥引用和一个等待队列(存储等待的 goroutine): ```go type Cond struct { L Locker // 关联的互斥 notify notifyList // 等待队列,链表结构 } ``` 其中 `notifyList` 是一个链表,记录所有调用 `Wait()` 的 goroutine。 **工作流程:** 1. **`Wait()` 方法原理**: - 当 goroutine 调用 `Wait()` 时,它先释放(`c.L.Unlock()`),然后将自身加入等待队列(`notifyList`)。 - 随后,goroutine 被挂起(进入阻塞状态),由调度器切换到其他 goroutine。 - 当被 `Signal()` 或 `Broadcast()` 唤醒时,goroutine 重新尝试获取(`c.L.Lock()`),并继续执行。 2. **`Signal()` 和 `Broadcast()` 原理**: - **`Signal()`**:从等待队列头部取出一个 goroutine 并唤醒它。唤醒操作通过运行时函数 `runtime_Semrelease` 实现,本质是发送一个信号量。 - **`Broadcast()`**:唤醒等待队列中所有 goroutine,内部遍历链表并逐个唤醒。 - 唤醒后,goroutine 会从 `Wait()` 返回,并重新检查条件(如队列是否非空)。 **与互斥的协作:** - 条件变量必须与互斥配合使用,因为共享资源(如示例中的 `queue`)需要保护。 - `Wait()` 的原子操作:释放和加入等待队列是原子的,避免了竞态。 - **性能特点**:`Signal()` 的时间复杂度为 $O(1)$(唤醒一个等待者),`Broadcast()` 为 $O(n)$(n 为等待者数量)。`Wait()` 操作涉及调度,可能导致上下文切换开销。 **设计哲学:** - **避免忙等待**:相比轮询检查条件,`sync.Cond` 让 goroutine 挂起,减少 CPU 浪费。 - **公平性**:Golang 的等待队列通常是 FIFO(先进先出),但唤醒顺序不保证严格公平,取决于调度器。 - **虚假唤醒处理**:Golang 的 `sync.Cond` 可能因系统原因发生虚假唤醒(即没有通知时被唤醒),因此必须在循环中检查条件。 #### 3. 最佳实践和常见问题 - **适用场景**:适合等待特定事件(如任务完成、资源可用),常见于并发控制、任务协调等。 - **常见错误**: - 忘记在 `Wait()` 前加:导致数据竞争。 - 未使用循环检查条件:虚假唤醒可能引发逻辑错误。 - 过度使用 `Broadcast()`:如果只唤醒一个等待者足够,优先用 `Signal()` 以减少开销。 - **优化建议**: - 将条件变量封装在结构体中,提高代码可读性。 - 使用 `context.Context` 结合超时控制,避免死。 #### 总结 `sync.Cond` 是 Golang 中强大的同步原语,通过等待队列和互斥实现高效 goroutine 通信。正确使用时,它能显著提升并发程序的性能和可靠性。记住:始终在保护下操作共享变量,并在循环中调用 `Wait()`。如需更多细节,参考 Golang 官方文档[^1]。
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