锁的概念和同步关键字

最新推荐文章于 2024-07-13 19:55:31 发布

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本文介绍了Java中锁的相关知识，包括自旋锁、悲观锁、乐观锁等概念，阐述了synchronized关键字的可重入、独享、悲观特性，还提及锁消除和锁粗化的优化方式。此外，详细说明了锁的概念实现，如对象头锁状态的升级过程，以及Monitor机制和偏向锁的状态转换。

文章目录

锁的概念

自旋锁：为了不放弃CPU执行事件，循环的使用CAS技术对数据常识进行更新，直至成功，如atomic封装类
悲观锁：假定会发生并发冲突，同步所有对数据的相关操作，从读数据就开始上锁，如同步关键字
乐观锁：假定没有冲突，在修改数据时如果发现数据和之前获取的不一致，则读最新的数据，修改后重试修改，如CAS自旋操作
独享锁（写锁）：给资源加上写锁，线程可以修改资源，其他线程不能再加锁，单写
共享锁（读锁）：给资源加上读锁后只能读不能改，其他线程只能加读锁，不能加写锁，多读
可重入锁：线程拿到一把锁之后，可以自由进入同一把锁的同步代码块，不需要等到锁释放，示例如下：

public synchronized void test1(Object arg) {
        System.out.println(Thread.currentThread() + " 我开始执行 " + arg);
        if (arg == null) {
            test1(new Object());
        }
        System.out.println(Thread.currentThread() + " 我执行结束" + arg);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new ObjectSyncDemo2().test1(null);
    }

公平锁：争抢锁的先后顺序，按照先来后到即为公平锁，反之为非公平锁

synchronized关键字

特性：可重入、独享、悲观

锁消除

如下代码，stringBuffer变量为局部变量，线程安全，在运行期间，StringBuffer的锁会被jit消除来进行优化，可以使用jitWatch来查看运行时的汇编代码

public void test1(Object arg) {
        // jit 优化, 消除了锁
        StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
        stringBuffer.append("a");
        stringBuffer.append(arg);
        stringBuffer.append("c");
        System.out.println(stringBuffer.toString());
    }

锁粗化

运行期间，jvm出于性能考虑将锁的范围扩大，例如在循环中使用同步关键字

锁的概念实现

java对象会有一个头部，存储下列和锁有关的信息

tag从01升级到11经历了无锁->轻量级锁->重量级锁->GC的过程
当有两个线程来争抢一个对象上的锁时，会首先使用CAS机制来改变对象头，只有一个线程能够修改成功（01改为00），另外一个线程进入CAS自旋，这个时候是无锁。为了避免CPU性能的消耗，在自旋一定次数之后会锁会升级，由轻量级锁升级为重量级锁，这时候会在monitor对象里记录争抢锁的线程的信息，当owner退出后，entry_list里的线程可以去争抢锁
monitor机制

结合上图来分析Object的Monitor机制。

Monitor可以类比为一个特殊的房间，这个房间中有一些被保护的数据，Monitor保证每次只能有一个线程能进入这个房间进行访问被保护的数据，进入房间即为持有Monitor，退出房间即为释放Monitor。

当一个线程需要访问受保护的数据（即需要获取对象的Monitor）时，它会首先在entry-set入口队列中排队（这里并不是真正的按照排队顺序），如果没有其他线程正在持有对象的Monitor，那么它会和entry-set队列和wait-set队列中的被唤醒的其他线程进行竞争（即通过CPU调度），选出一个线程来获取对象的Monitor，执行受保护的代码段，执行完毕后释放Monitor，如果已经有线程持有对象的Monitor，那么需要等待其释放Monitor后再进行竞争。

再说一下wait-set队列。当一个线程拥有Monitor后，经过某些条件的判断（比如用户取钱发现账户没钱），这个时候需要调用Object的wait方法，线程就释放了Monitor，进入wait-set队列，等待Object的notify方法（比如用户向账户里面存钱）。当该对象调用了notify方法或者notifyAll方法后，wait-set中的线程就会被唤醒，然后在wait-set队列中被唤醒的线程和entry-set队列中的线程一起通过CPU调度来竞争对象的Monitor，最终只有一个线程能获取对象的Monitor。

偏向锁
jvm默认开启偏向锁，在tag=01的时候，只有一个线程来访问，则存储线程的信息。如果有线程来争用，则升级为轻量级锁，轻量级锁中CAS自旋超过一定的次数，则继续升级。
偏向锁的状态转换如下图

更多可以参考两篇文章
https://www.jianshu.com/p/36eedeb3f912
https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-synchronized/