第一章:并发编程中的三个问题
1、可见性问题
可见性概念
可见性(
Visibility
):是指一个线程对共享变量进行修改,另一个先立即得到修改后的最新值。
可见性演示
案例演示:一个线程根据
boolean
类型的标记
flflag
,
while
循环,另一个线程改变这个
flag
变量的值,另
一个线程并不会停止循环。
package com.itheima.demo01_concurent_problem;
/**
* 演示可见性问题
* 1、创建一个共享变量
* 2、创建一个线程读取共享变量
* 3、创建一个线程修改共享变量
*
*
* 总结:并发编程时,会出现可见性问题,当一个线程对共享变量进行了修改,另外的线程并没有立即看到修改后的最新值
*/
public class Test01Visibility {
public static boolean flag = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(()->{
while (flag)
{
}
}).start();
Thread.sleep(2000);
new Thread(()->{
flag = false;
System.out.println("线程修改了变量的值为false");
}).start();
}
}
2、原子性问题
原子性概念
原子性(
Atomicity
):在一次或多次操作中,要么所有的操作都执行并且不会受其他因素干扰而中
断,要么所有的操作都不执行。
原子性演示
案例演示
:5
个线程各执行
1000
次
i++;
package com.itheima.demo01_concurent_problem;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* 目标:演示原子性问题
* 1、定义一个共享变量number
* 2、对number进行1000次++操作
* 3、使用5个线程来进行
*/
public class Test02Atomicity {
public static int number = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable increment = ()->{
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
number++;
}
};
List<Thread> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(increment);
t.start();
list.add(t);
}
//保证5个线程执行完之后才输出number的值
for(Thread t :list)
{
t.join();
}
System.out.println("number="+number);
}
}
使用javap反汇编class文件,得到下面的字节码指令:
其中,对于 number++ 而言(number 为静态变量),实际会产生如下的 JVM 字节码指令:
9: getstatic #12 // Field number:I
12: iconst_1
13: iadd
14: putstatic #12 // Field number:I
由此可见number++是由多条语句组成,以上多条指令在一个线程的情况下是不会出问题的,但是在多 线程情况下就可能会出现问题。比如一个线程在执行13: iadd时,另一个线程又执行9: getstatic。会导 致两次number++,实际上只加了1。
小结
并发编程时,会出现原子性问题,当一个线程对共享变量操作到一半时,另外的线程也有可能来操作共
享变量,干扰了前一个线程的操作。
3、有序性问题
有序性概念
有序性(
Ordering
):是指程序中代码的执行顺序,
Java
在编译时和运行时会对代码进行优化,会导致
程序最终的执行顺序不一定就是我们编写代码时的顺序。
public static void main(String[] args)
{
int a = 10; int b = 20;
}
有序性演示
jcstress
是
java
并发压测工具。
https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/jcstress
修改
pom
文件,添加依赖:
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jcstress</groupId>
<artifactId>jcstress-core</artifactId>
<version>${jcstress.version}</version>
</dependency
代码
package com.itheima.demo01_concurent_problem;
import org.openjdk.jcstress.annotations.*;
import org.openjdk.jcstress.infra.results.I_Result;
@JCStressTest
@Outcome(id = {"1","4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE,desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING,desc = "danger")
@State
public class Test03Ordering {
int num = 0;
boolean ready =false;
//线程1执行的代码
@Actor
public void actor1(I_Result r)
{
if(ready)
{
r.r1 = num + num;
}else {
r.r1 = 1;
}
}
//线程2执行的代码
@Actor
public void actor2(I_Result r)
{
num = 2;
ready = true;
}
}
I_Result 是一个对象,有一个属性 r1 用来保存结果,在多线程情况下可能出现几种结果?
情况
1
:线程1先执行
actor1
,这时
ready = false
,所以进入
else
分支结果为
1
。
情况
2
:线程
2
执行到
actor2
,执行了
num = 2;
和
ready = true
,线程
1
执行,这回进入
if
分支,结果为 4。
情况
3
:线程
2
先执行
actor2
,只执行
num = 2
;但没来得及执行
ready = true
,线程
1
执行,还是进入 else分支,结果为
1
。
还有一种结果
0
。
运行测试:
mvn clean install
java -jar target/jcstress.jar
小结
程序代码在执行过程中的先后顺序,由于
Java
在编译期以及运行期的优化,导致了代码的执行顺序未必就是开发者编写代码时的顺序。
第二章、Java内存模型(JMM)
计算机结构简介
冯诺依曼,提出计算机由五大组成部分,输入设备,输出设备存储器,控制器,运算器

CPU
中央处理器,是计算机的控制和运算的核心,我们的程序最终都会变成指令让CPU去执行,处理程序中的数据
内存
我们的程序都是在内存中运行的,内存会保存程序运行时的数据,供CPU
处理。
缓存
CPU
的运算速度和内存的访问速度相差比较大。这就导致
CPU
每次操作内存都要耗费很多等待时间。内 存的读写速度成为了计算
机运行的瓶颈。于是就有了在CPU
和主内存之间增加缓存的设计。最靠近
CPU 的缓存称为L1
,然后依次是
L2
,
L3
和主内存,
CPU
缓存模型如图下图所示

CPU Cache
分成了三个级别
: L1
,
L2
,
L3
。级别越小越接近
CPU
,速度也更快,同时也代表着容量越
小。
1. L1
是最接近
CPU
的,它容量最小,例如
32K
,速度最快,每个核上都有一个
L1 Cache
。
2. L2 Cache
更大一些,例如
256K
,速度要慢一些,一般情况下每个核上都有一个独立的
L2 Cache
。
3. L3 Cache
是三级缓存中最大的一级,例如
12MB
,同时也是缓存中最慢的一级,在同一个
CPU
插槽
之间的核共享一个
L3 Cache
。
Cache
的出现是为了解决
CPU
直接访问内存效率低下问题的,程序在运行的过程中,
CPU
接收到指令后,它会最先向CPU
中的一级缓存(
L1 Cache
)去寻找相关的数据,如果命中缓存,
CPU
进行计算时就可以直接对CPU Cache
中的数据进行读取和写入,当运算结束之后,再将
CPUCache
中的最新数据刷新到主内存当中,CPU
通过直接访问
Cache
的方式替代直接访问主存的方式极大地提高了
CPU
的吞吐能 力。但是由于一级缓存(L1 Cache
)容量较小,所以不可能每次都命中。这时
CPU
会继续向下一级的二 级缓存(L2 Cache
)寻找,同样的道理,当所需要的数据在二级缓存中也没有的话,会继续转向
L3 Cache、内存
(
主存
)
和硬盘。
Java内存模型
Java
内存模型的概念
Java Memory Molde (Java
内存模型
/JMM)
,千万不要和
Java
内存结构混淆
关于
“Java
内存模型
”
的权威解释,请参考
https://download.oracle.com/otn-pub/jcp/memory_model-1.0-pfd-spec-oth-JSpec/memory_model-1_0-pfd-spec.pdf
。
Java
内存模型,是
Java
虚拟机规范中所定义的一种内存模型,
Java
内存模型是标准化的,屏蔽掉了底层 不同计算机的区别。
Java内存模型是一套规范,描述了Java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则,以及在JVM中将变量
存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节,具体如下。
主内存
主内存是所有线程都共享的,都能访问的。所有的共享变量都存储于主内存。
工作内存
每一个线程有自己的工作内存,工作内存只存储该线程对共享变量的副本。线程对变量的所有的操作(
读,取
)
都必须在工作内存中完成,而不能直接读写主内存中的变量,不同线程之间也不能直接 访问对方工作内存中的变量。

Java
内存模型的作用
Java
内存模型是一套在多线程读写共享数据时,对共享数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障。
synchronized,volatile
CPU
缓存,内存与
Java
内存模型的关系
通过对前面的
CPU
硬件内存架构、
Java
内存模型以及
Java
多线程的实现原理的了解,我们应该已经意识
到,多线程的执行最终都会映射到硬件处理器上进行执行。
但
Java
内存模型和硬件内存架构并不完全一致。对于硬件内存来说只有寄存器、缓存内存、主内存的概
念,并没有工作内存和主内存之分,也就是说
Java
内存模型对内存的划分对硬件内存并没有任何影响,
因为
JMM
只是一种抽象的概念,是一组规则,不管是工作内存的数据还是主内存的数据,对于计算机硬
件来说都会存储在计算机主内存中,当然也有可能存储到
CPU
缓存或者寄存器中,因此总体上来说,
Java
内存模型和计算机硬件内存架构是一个相互交叉的关系,是一种抽象概念划分与真实物理硬件的交
叉。
JMM
内存模型与
CPU
硬件内存架构的关系

小结
Java
内存模型是一套规范,描述了
Java
程序中各种变量
(
线程共享变量
)
的访问规则,以及在
JVM
中将变量 存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节,Java
内存模型是对共享数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障。
主内存与工作内存之间的交互
Java
内存模型中定义了以下
8
种操作来完成,主内存与工作内存之间具体的交互协议,即一个变量如何从主内存拷贝到工作内
存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节,虚拟机实现时必须保证下面 提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。
对应如下的流程图:

注意
:
1.
如果对一个变量执行
lock
操作,将会清空工作内存中此变量的值
2.
对一个变量执行
unlock
操作之前,必须先把此变量同步到主内存中
小结
主内存与工作内存之间的数据交互过程
lock -> read -> load -> use -> assign -> store -> write -> unlock
第三章:synchronized保证三大特性
synchronized
能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码,以达到保证并发安全的效果。
synchronized (锁对象)
{
// 受保护资源;
}
synchronized与原子性
使用synchronized保证原子性
案例演示
:5
个线程各执行
1000
次
i++;
package com.itheima.demo02_concurrent_problem;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/*
目标:演示原子性问题
1.定义一个共享变量number
2.对number进行1000的++操作
3.使用5个线程来进行
*/
public class Test02Atomicity {
// 1.定义一个共享变量number
private static int number = 0;
private static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 2.对number进行1000的++操作
Runnable increment = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
synchronized (obj) {
number++;
}
}
};
List<Thread> list = new ArrayList<>();
// 3.使用5个线程来进行
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(increment);
t.start();
list.add(t);
}
for (Thread t : list) {
t.join();
}
System.out.println("number = " + number);
}
}
synchronized
保证原子性的原理
对
number++;
增加同步代码块后,保证同一时间只有一个线程操作
number++;
。就不会出现安全问题。如下图:当进入同步代码的时候获取锁,monitorenter 接下来获取值 进行++操作 更新变量的值 最后释放锁。只有当前正在执行的线程释放锁之后,其他线程才能进入到同步代码块里面
小结
synchronized
保证原子性的原理,
synchronized
保证只有一个线程拿到锁,能够进入同步代码块。
synchronized与可见性(使用volatile也可以解决可见性问题)
使用synchronized保证可见性
案例演示:一个线程根据
boolean
类型的标记
flflag
,
while
循环,另一个线程改变这个
flflag
变量的值,另
一个线程并不会停止循环。
package com.itheima.demo02_concurrent_problem;
/*
目标:演示可见性问题
1.创建一个共享变量
2.创建一条线程不断读取共享变量
3.创建一条线程修改共享变量
*/
public class Test01Visibility {
// 1.创建一个共享变量
private static boolean flag = true;
private static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 2.创建一条线程不断读取共享变量
new Thread(() -> {
while (flag) {
//每次执行到synchronized,都会让线程刷新工作内存里面的值,从主存里面重新获取
synchronized(){
}
}
}).start();
Thread.sleep(2000);
// 3.创建一条线程修改共享变量
new Thread(() -> {
flag = false;
System.out.println("线程修改了变量的值为false");
}).start();
}
}
synchronized保证可见性的原理
小结
synchronized
保证可见性的原理,执行
synchronized
时,会对应
lock
原子操作会刷新工作内存中共享变
量的值
synchronized与有序性
为什么要重排序
为了提高程序的执行效率,编译器和
CPU
会对程序中代码进行重排序。
as-if-serial
语义
as-if-serial
语义的意思是:不管编译器和
CPU
如何重排序,必须保证在单线程情况下程序的结果是正确的。
以下数据有依赖关系,不能重排序。
写后读:
int a = 1;
int b = a;
写后写:
int a = 1;
int a = 2;
读后写:
int a = 1;
int b = a;
int a = 2;
编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序,因为这种重排序会改变执行结果。但是,如
果操作之间不存在数据依赖关系,这些操作就可能被编译器和处理器重排序。
int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;
可以这样:
int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;
也可以重排序这样:
int b = 2;
int a = 1;
int c = a + b;
使用synchronized保证有序性
package com.itheima.demo02_concurrent_problem;
import org.openjdk.jcstress.annotations.*;
import org.openjdk.jcstress.infra.results.I_Result;
@JCStressTest
@Outcome(id = {"1"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = {"4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "danger2")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "danger")
@State
public class Test03Ordering {
private Object obj = new Object();
volatile int num = 0;
volatile boolean ready = false;
// 线程1执行的代码
@Actor
public void actor1(I_Result r) {
synchronized(obj){
if (ready) {
r.r1 = num + num;
} else {
r.r1 = 1;
}
}
}
// 线程2执行的代码
@Actor
public void actor2(I_Result r) {
synchronized(obj){
num = 2;
ready = true;
}
}
}
synchronized保证有序性的原理
synchronized
后,虽然进行了重排序,保证只有一个线程会进入同步代码块,也能保证有序性。
小结
synchronized
保证有序性的原理,我们加
synchronized
后,依然会发生重排序,只不过,我们有同步
代码块,可以保证只有一个线程执行同步代码中的代码。保证有序性
第四章:synchronized的特性
可重入特性
什么是可重入
一个线程可以多次执行
synchronized,
重复获取同一把锁
package com.itheima.demo03_synchronized_nature;
/*
目标:演示synchronized可重入
1.自定义一个线程类
2.在线程类的run方法中使用嵌套的同步代码块
3.使用两个线程来执行
*/
public class Demo01 {
public static void main(String[] args) {
new MyThread().start();
new MyThread().start();
}
public static void test01() {
synchronized (MyThread.class) {
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name + "进入了同步代码块2");
}
}
}
// 1.自定义一个线程类
class MyThread extends Thread {
@Override
public void run() {
synchronized (MyThread.class) {
System.out.println(getName() + "进入了同步代码块1");
Demo01.test01();
}
}
}
可重入原理
synchronized
的锁对象中有一个计数器(
recursions
变量)会记录线程获得几次锁
.
可重入的好处
1.
可以避免死锁
2.
可以让我们更好的来封装代码
小结
synchronized
是可重入锁,内部锁对象中会有一个计数器记录线程获取几次锁啦,在执行完同步代码块
时,计数器的数量会
-1
,知道计数器的数量为
0
,就释放这个锁。
不可中断特性
什么是不可中断
一个线程获得锁后,另一个线程想要获得锁,必须处于阻塞或等待状态,如果第一个线程不释放锁,第
二个线程会一直阻塞或等待,不可被中断。
synchronized
不可中断演示
synchronized
是不可中断,处于阻塞状态的线程会一直等待锁
package com.itheima.demo03_synchronized_nature;
/*
目标:演示synchronized不可中断
1.定义一个Runnable
2.在Runnable定义同步代码块
3.先开启一个线程来执行同步代码块,保证不退出同步代码块
4.后开启一个线程来执行同步代码块(阻塞状态)
5.停止第二个线程
*/
public class Demo02_Uninterruptible {
private static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 1.定义一个Runnable
Runnable run = () -> {
// 2.在Runnable定义同步代码块
synchronized (obj) {
String name = Thread.currentThread().getName();
System.out.println(name + "进入同步代码块");
// 保证不退出同步代码块
try {
Thread.sleep(888888);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
// 3.先开启一个线程来执行同步代码块
Thread t1 = new Thread(run);
t1.start();
Thread.sleep(1000);
// 4.后开启一个线程来执行同步代码块(阻塞状态)
Thread t2 = new Thread(run);
t2.start();
// 5.停止第二个线程
System.out.println("停止线程前");
t2.interrupt();
System.out.println("停止线程后");
System.out.println(t1.getState());
System.out.println(t2.getState());
}
}
ReentrantLock
可中断演示
package com.itheima.demo03_synchronized_nature;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/*
目标:演示Lock不可中断和可中断
*/
public class Demo03_Interruptible {
private static Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// test01();
test02();
}
// 演示Lock可中断
public static void test02() throws InterruptedException {
Runnable run = () -> {
String name = Thread.currentThread().getName();
boolean b = false;
try {
b = lock.tryLock(3, TimeUnit.SECONDS);
if (b) {
System.out.println(name + "获得锁,进入锁执行");
Thread.sleep(88888);
} else {
System.out.println(name + "在指定时间没有得到锁做其他操作");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (b) {
lock.unlock();
System.out.println(name + "释放锁");
}
}
};
Thread t1 = new Thread(run);
t1.start();
Thread.sleep(1000);
Thread t2 = new Thread(run);
t2.start();
// System.out.println("停止t2线程前");
// t2.interrupt();
// System.out.println("停止t2线程后");
//
// Thread.sleep(1000);
// System.out.println(t1.getState());
// System.out.println(t2.getState());
}
// 演示Lock不可中断
public static void test01() throws InterruptedException {
Runnable run = () -> {
String name = Thread.currentThread().getName();
try {
lock.lock();
System.out.println(name + "获得锁,进入锁执行");
Thread.sleep(88888);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
System.out.println(name + "释放锁");
}
};
Thread t1 = new Thread(run);
t1.start();
Thread.sleep(1000);
Thread t2 = new Thread(run);
t2.start();
System.out.println("停止t2线程前");
t2.interrupt();
System.out.println("停止t2线程后");
Thread.sleep(1000);
System.out.println(t1.getState());
System.out.println(t2.getState());
}
}
小结
不可中断是指,当一个线程获得锁后,另一个线程一直处于阻塞或等待状态,前一个线程不释放锁,后一个线程会一直阻塞或等待,不可被中断。
synchronized
属于不可被中断
Lock
的
lock
方法是不可中断的
Lock
的
tryLock
方法是可中断的
第五章:synchronized原理
javap 反汇编
通过javap反汇编学习synchronized的原理
我们编写一个简单的synchronized代码,如下:
package com.itheima.demo01_concurent_problem;
public class Demo01 {
private static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) {
synchronized (obj)
{
System.out.println("1");
}
}
public synchronized void test()
{
System.out.println("a");
}
}
我们要看
synchronized
的原理,但是
synchronized
是一个关键字,看不到源码。我们可以将
class
文件 进行反汇编
JDK
自带的一个工具:
javap
,对字节码进行反汇编,查看字节码指令。
在
DOS
命令行输入:
javap -p -v D:\workspace\Synchronized\target\classes\com\itheima\demo01_concurent_problem\Demo01.class
反汇编后的效果如下:
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: getstatic #2 // Field obj:Ljava/lang/Object;
3: dup
4: astore_1
5: monitorenter
6: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
9: ldc #4 // String 1
11: invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
14: aload_1
15: monitorexit
16: goto 24
19: astore_2
20: aload_1
21: monitorexit
22: aload_2
23: athrow
24: return
Exception table:
from to target type
6 16 19 any
19 22 19 any
LineNumberTable:
line 9: 0
line 11: 6
line 12: 14
line 13: 24
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 25 0 args [Ljava/lang/String;
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 255 /* full_frame */
offset_delta = 19
locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]
stack = [ class java/lang/Throwable ]
frame_type = 250 /* chop */
offset_delta = 4
public synchronized void test();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #6 // String a
5: invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
LineNumberTable:
line 17: 0
line 18: 8
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 9 0 this Lcom/itheima/demo01_concurent_problem/Demo01;
monitorenter
首先我们来看一下
JVM
规范中对于
monitorenter
的描述:
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.monitorenter
Each object is associated with a monitor.
A monitor is locked if and only if it has anowner.The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitorassociated with objectref, as follows: • If the entry count of the monitor associated withobjectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The threadis then the owner of the monitor. •
If the thread already owns the monitor associated withobjectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count. • If anotherthreadalready owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor'sentry count is zero, then tries again to gain ownership.
翻译过来:
每一个对象都会和一个监视器
monitor
关联。监视器被占用时会被锁住,其他线程无法来获
取该
monitor
。 当
JVM
执行某个线程的某个方法内部的
monitorenter
时,它会尝试去获取当前对象对应
的
monitor
的所有权。其过程如下:
1.
若
monior
的进入数为
0
,线程可以进入
monitor
,并将
monitor
的进入数置为
1
。当前线程成为
monitor
的
owner
(所有者)
2.
若线程已拥有
monitor
的所有权,允许它重入
monitor
,则进入
monitor
的进入数加
1
3.
若其他线程已经占有
monitor
的所有权,那么当前尝试获取
monitor
的所有权的线程会被阻塞,直
到
monitor
的进入数变为
0
,才能重新尝试获取
monitor
的所有权。
monitorenter
小结:
synchronized
的锁对象会关联一个
monitor,
这个
monitor
不是我们主动创建的
,
是
JVM
的线程执行到这个
同步代码块
,
发现锁对象没有
monitor
就会创建
monitor,monitor
内部有两个重要的成员变量
owner:
拥有
这把锁的线程
,recursions
会记录线程拥有锁的次数
,
当一个线程拥有
monitor
后其他线程只能等待
monitorexit
首先我们来看一下
JVM
规范中对于
monitorexit
的描述:
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.monitorexit
The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated with the
instance referenced by objectref. The thread decrements the entry count of the monitor
associated with objectref. If as a result the value of the entry count is zero, the thread
exits the monitor and is no longer its owner. Other threads that are blocking to enter the
monitor are allowed to attempt to do so
翻译过来:
1.
能执行
monitorexit
指令的线程一定是拥有当前对象的
monitor
的所有权的线程。
2.
执行
monitorexit
时会将
monitor
的进入数减
1
。当
monitor
的进入数减为
0
时,当前线程退出
monitor
,不再拥有
monitor
的所有权,此时其他被这个
monitor
阻塞的线程可以尝试去获取这个
monitor
的所有权
monitorexit
释放锁。
monitorexit
插入在方法结束处和异常处,
JVM
保证每个
monitorenter
必须有对应的
monitorexit
。
面试题synchroznied出现异常会释放锁吗?
会释放锁
同步方法
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-2.html#jvms-2.11.10
可以看到同步方法在反汇编后,会增加
ACC_SYNCHRONIZED
修饰。会隐式调用
monitorenter
和
monitorexit
。在执行同步方法前会调用
monitorenter
,在执行完同步方法后会调用
monitorexit
。
小结
通过
javap
反汇编我们看到
synchronized
使用编程了
monitorentor
和
monitorexit
两个指令
.
每个锁对象
都会关联一个
monitor(
监视器
,
它才是真正的锁对象
),
它内部有两个重要的成员变量
owner
会保存获得锁
的线程
,recursions
会保存线程获得锁的次数
,
当执行到
monitorexit
时
,recursions
会
-1,
当计数器减到
0
时
这个线程就会释放锁
面试题:synchronized与Lock的区别
1. synchronized
是关键字,而
Lock
是一个接口。
2. synchronized
会自动释放锁,而
Lock
必须手动释放锁。
3. synchronized
是不可中断的,
Lock
可以中断也可以不中断。
4.
通过
Lock
可以知道线程有没有拿到锁,而
synchronized
不能。
5. synchronized
能锁住方法和代码块,而
Lock
只能锁住代码块。
6. Lock
可以使用读锁提高多线程读效率。
7. synchronized
是非公平锁,
ReentrantLock
可以控制是否是公平锁。
深入JVM源码
目标
通过JVM
源码分析
synchronized
的原理
JVM
源码下载
http://openjdk.java.net/
--> Mercurial --> jdk8 --> hotspot --> zip
IDE(Clion )
下载
https://www.jetbrains.com/
monitor
监视器锁
可以看出无论是
synchronized
代码块还是
synchronized
方法,其线程安全的语义实现最终依赖一个叫monitor的东西,那么这个神秘的东西是什么呢?下面让我们来详细介绍一下。
在
HotSpot
虚拟机中,
monitor
是由
ObjectMonitor
实现的。其源码是用
c++
来实现的,位于
HotSpot
虚拟机源码ObjectMonitor.hpp
文件中
(src/share/vm/runtime/objectMonitor.hpp)
。
ObjectMonitor
主 要数据结构如下:
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0;
_waiters = 0,
_recursions = 0; // 线程的重入次数
_object = NULL; // 存储该monitor的对象
_owner = NULL; // 标识拥有该monitor的线程
_WaitSet = NULL; // 处于wait状态的线程,会被加入到该列表
_WaitSet _WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL;
_succ = NULL;
_cxq = NULL; // 多线程竞争锁时的单向列表
FreeNext = NULL;
_EntryList = NULL; // 处于等待锁block状态的线程,会被加入到该列表
_SpinFreq = 0;
_SpinClock = 0;
OwnerIsThread = 0;
}
1. _owner
:初始时为
NULL
。当有线程占有该
monitor
时,
owner
标记为该线程的唯一标识。当线程释放monitor
时,
owner
又恢复为
NULL
。
owner
是一个临界资源,
JVM
是通过
CAS
操作来保证其线程安全的。
2. _cxq
:竞争队列,所有请求锁的线程首先会被放在这个队列中(单向链接)。
_cxq
是一个临界资源,JVM
通过
CAS
原子指令来修改
_cxq
队列。修改前
_cxq
的旧值填入了
node
的
next
字段,
_cxq
指 向新值(新线程)。因此_cxq
是一个后进先出
stack
(栈)。
3. _EntryList
:
_cxq
队列中有资格成为候选资源的线程会被移动到该队列中。
4. _WaitSet
:因为调用
wait
方法而被阻塞的线程会被放在该队列中。
每一个
Java
对象都可以与一个监视器
monitor
关联,我们可以把它理解成为一把锁,当一个线程想要执 行一段被synchronized
圈起来的同步方法或者代码块时,该线程得先获取到
synchronized
修饰的对象对应的monitor
。
我们的
Java
代码里不会显示地去创造这么一个
monitor
对象,我们也无需创建,事实上可以这么理解: monitor并不是随着对象创建而创建的。我们是通过
synchronized
修饰符告诉
JVM
需要为我们的某个对象创建关联的monitor
对象。每个线程都存在两个
ObjectMonitor
对象列表,分别为
free
和
used
列表。 同时JVM
中也维护着
global locklist
。当线程需要
ObjectMonitor
对象时,首先从线程自身的
free
表中申 请,若存在则使用,若不存在则从global list
中申请。
ObjectMonitor
的数据结构中包含:
_owner
、
_WaitSet
和_EntryList,它们之间的关系转换可以用下图表示:

monitor
竞争
1.
执行
monitorenter
时,会调用
InterpreterRuntime.cpp
(
位于:
src/share/vm/interpreter/interpreterRuntime.cpp)
的
InterpreterRuntime::monitorenter
函数。具体代码可参见HotSpot
源码。
IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))
#ifdef ASSERT
thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
if (PrintBiasedLockingStatistics) {
Atomic::inc(BiasedLocking::slow_path_entry_count_addr());
}
Handle h_obj(thread, elem->obj());
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()), "must be NULL or an object");
if (UseBiasedLocking) { //偏向锁
// Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
}else //重量级锁
{
ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);
}
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(elem->obj()), "must be NULL or an object");
2.
对于重量级锁,
monitorenter
函数中会调用
ObjectSynchronizer::slow_enter
3.
最终调用
ObjectMonitor::enter
(位于:
src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp
),源码如下:
void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
// The following code is ordered to check the most common cases first
// and to reduce RTS->RTO cache line upgrades on SPARC and IA32 processors.
Thread * const Self = THREAD ;
void * cur ;
// 通过CAS操作尝试把monitor的_owner字段设置为当前线程
cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
if (cur == NULL) {
// Either ASSERT _recursions == 0 or explicitly set _recursions = 0.
assert (_recursions == 0 , "invariant") ;
assert (_owner == Self, "invariant") ;
// CONSIDER: set or assert OwnerIsThread == 1
return ;
}
// 线程重入,recursions++
if (cur == Self) {
// TODO-FIXME: check for integer overflow! BUGID 6557169.
_recursions ++ ;
return ;
}
// 如果当前线程是第一次进入该monitor,设置_recursions为1,_owner为当前线程
if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) {
assert (_recursions == 0, "internal state error");
_recursions = 1 ;
// Commute owner from a thread-specific on-stack BasicLockObject address to
// a full-fledged "Thread *".
_owner = Self ;
OwnerIsThread = 1 ;
return ;
}
// 省略一些代码
for (;;) {
jt->set_suspend_equivalent();
// cleared by handle_special_suspend_equivalent_condition()
// or java_suspend_self()
// 如果获取锁失败,则等待锁的释放;
EnterI (THREAD) ;
if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;
//
// We have acquired the contended monitor, but while we were
// waiting another thread suspended us. We don't want to enter
// the monitor while suspended because that would surprise the
// thread that suspended us.
//
_recursions = 0 ;
_succ = NULL ;
exit (false, Self) ;
jt->java_suspend_self();
}
Self->set_current_pending_monitor(NULL);
}
此处省略锁的自旋优化等操作,统一放在后面
synchronzied
优化中说。
以上代码的具体流程概括如下:
1.
通过
CAS
尝试把
monitor
的
owner
字段设置为当前线程。
2.
如果设置之前的
owner
指向当前线程,说明当前线程再次进入
monitor
,即重入锁,执行
recursions ++
,记录重入的次数。
3.
如果当前线程是第一次进入该
monitor
,设置
recursions
为
1
,
_owner
为当前线程,该线程成功获
得锁并返回。
4.
如果获取锁失败,则等待锁的释放。
monitor
等待
竞争失败等待调用的是
ObjectMonitor
对象的
EnterI
方法(位于:src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp),源码如下所示:
void ATTR ObjectMonitor::EnterI (TRAPS) {
Thread * Self = THREAD ;
// Try the lock - TATAS
if (TryLock (Self) > 0) {
assert (_succ != Self , "invariant") ;
assert (_owner == Self , "invariant") ;
assert (_Responsible != Self , "invariant") ;
return ;
}
if (TrySpin (Self) > 0) {
assert (_owner == Self , "invariant") ;
assert (_succ != Self , "invariant") ;
assert (_Responsible != Self , "invariant") ;
return ;
}
// 省略部分代码
// 当前线程被封装成ObjectWaiter对象node,状态设置成ObjectWaiter::TS_CXQ;
ObjectWaiter node(Self) ;
Self->_ParkEvent->reset() ;
node._prev = (ObjectWaiter *) 0xBAD ;
node.TState = ObjectWaiter::TS_CXQ ;
// 通过CAS把node节点push到_cxq列表中
ObjectWaiter * nxt ;
for (;;) {
node._next = nxt = _cxq ;
if (Atomic::cmpxchg_ptr (&node, &_cxq, nxt) == nxt) break ;
// Interference - the CAS failed because _cxq changed. Just retry.
// As an optional optimization we retry the lock.
if (TryLock (Self) > 0) {
assert (_succ != Self , "invariant") ;
assert (_owner == Self , "invariant") ;
assert (_Responsible != Self , "invariant") ;
return ;
}
}
// 省略部分代码
for (;;) {
// 线程在被挂起前做一下挣扎,看能不能获取到锁
if (TryLock (Self) > 0) break ;
assert (_owner != Self, "invariant") ;
if ((SyncFlags & 2) && _Responsible == NULL)
{
Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_Responsible, NULL) ;
}
// park self
if (_Responsible == Self || (SyncFlags & 1)) {
TEVENT (Inflated enter - park TIMED) ;
Self->_ParkEvent->park ((jlong) RecheckInterval) ;
// Increase the RecheckInterval, but clamp the value.
RecheckInterval *= 8 ;
if (RecheckInterval > 1000) RecheckInterval = 1000;
}else{
TEVENT (Inflated enter - park UNTIMED) ;
// 通过park将当前线程挂起,等待被唤醒
Self->_ParkEvent->park() ;
}
if (TryLock(Self) > 0) break ;
// 省略部分代码
}
// 省略部分代码
}
当该线程被唤醒时,会从挂起的点继续执行,通过 ObjectMonitor::TryLock 尝试获取锁,TryLock方法实现如下:
int ObjectMonitor::TryLock (Thread * Self) {
for (;;) {
void * own = _owner ;
if (own != NULL) return 0 ;
if (Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) == NULL) {
// Either guarantee _recursions == 0 or set _recursions = 0.
assert (_recursions == 0, "invariant") ;
assert (_owner == Self, "invariant") ;
// CONSIDER: set or assert that OwnerIsThread == 1
return 1 ;
}
// The lock had been free momentarily, but we lost the race to the lock.
// Interference -- the CAS failed.
// We can either return -1 or retry.
// Retry doesn't make as much sense because the lock was just acquired.
if (true) return -1 ;
}
}
以上代码的具体流程概括如下:
1.
当前线程被封装成
ObjectWaiter
对象
node
,状态设置成
ObjectWaiter::TS_CXQ
。
2.
在
for
循环中,通过
CAS
把
node
节点
push
到
_cxq
列表中,同一时刻可能有多个线程把自己的
node 节点push
到
_cxq
列表中。
3. node
节点
push
到
_cxq
列表之后,通过自旋尝试获取锁,如果还是没有获取到锁,则通过
park
将当 前线程挂起,等待被唤醒。
4.
当该线程被唤醒时,会从挂起的点继续执行,通过
ObjectMonitor::TryLock
尝试获取锁
monitor
释放
当某个持有锁的线程执行完同步代码块时,会进行锁的释放,给其它线程机会执行同步代码,在 HotSpot中,通过退出
monitor
的方式实现锁的释放,并通知被阻塞的线程,具体实现位于 ObjectMonitor的
exit
方法中。(位于:
src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp
),源码如下所 示:



1.
退出同步代码块时会让
_recursions
减
1
,当
_recursions
的值减为
0
时,说明线程释放了锁。
2.
根据不同的策略(由
QMode
指定),从
cxq
或
EntryList
中获取头节点,通过 ObjectMonitor::ExitEpilog 方法唤醒该节点封装的线程,唤醒操作最终由
unpark
完成,实现 如下:

被唤醒的线程,会回到
void ATTR ObjectMonitor::EnterI (TRAPS)
的第
600
行,继续执行
monitor 的竞争。

monitor是重量级锁
可以看到
ObjectMonitor
的函数调用中会涉及到
Atomic::cmpxchg_ptr
,
Atomic::inc_ptr
等内核函数,
执行同步代码块,没有竞争到锁的对象会
park()
被挂起,竞争到锁的线程会
unpark()
唤醒。这个时候就
会存在操作系统用户态和内核态的转换,这种切换会消耗大量的系统资源。所以
synchronized
是
Java
语
言中是一个重量级
(Heavyweight)
的操作。
用户态和和内核态是什么东西呢?要想了解用户态和内核态还需要先了解一下
Linux
系统的体系架构:

从上图可以看出,
Linux
操作系统的体系架构分为:用户空间(应用程序的活动空间)和内核。
内核:本质上可以理解为一种软件,控制计算机的硬件资源,并提供上层应用程序运行的环境。
用户空间:上层应用程序活动的空间。应用程序的执行必须依托于内核提供的资源,包括
CPU
资源、存 储资源、I/O
资源等。
系统调用:为了使上层应用能够访问到这些资源,内核必须为上层应用提供访问的接口:即系统调用。
所有进程初始都运行于用户空间,此时即为用户运行状态(简称:用户态);但是当它调用系统调用执
行某些操作时,例如
I/O
调用,此时需要陷入内核中运行,我们就称进程处于内核运行态(或简称为内 核态)。
系统调用的过程可以简单理解为:
1.
用户态程序将一些数据值放在寄存器中, 或者使用参数创建一个堆栈, 以此表明需要操作系统提 供的服务。
2.
用户态程序执行系统调用。
3. CPU
切换到内核态,并跳到位于内存指定位置的指令。
4.
系统调用处理器
(system call handler)
会读取程序放入内存的数据参数,并执行程序请求的服务。
5.
系统调用完成后,操作系统会重置
CPU
为用户态并返回系统调用的结果。
由此可见用户态切换至内核态需要传递许多变量,同时内核还需要保护好用户态在切换时的一些寄存器 值、变量等,以备内核态切换回用户态。这种切换就带来了大量的系统资源消耗,这就是在 synchronized未优化之前,效率低的原因。
第六章:JDK6 synchronized优化
CAS
目标
学习CAS
的作用
学习CAS
的原理
CAS
概述和作用
CAS
的全成是:
Compare And Swap(
比较相同再交换
)
。是现代
CPU
广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。
CAS
的作用:
CAS
可以将比较和交换转换为原子操作,这个原子操作直接由
CPU
保证。
CAS
可以保证共享变量赋值时的原子操作。CAS
操作依赖
3
个值:内存中的值
V
,旧的预估值
X
,要修改的新值
B
,如果旧的预估值X
等于内存中的值
V
,就将新的值
B
保存到内存中。
CAS
和
volatile
实现无锁并发
package com.itheima.demo05_cas;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/*
目标:演示原子性问题
1.定义一个共享变量number
2.对number进行1000的++操作
3.使用5个线程来进行
*/
public class Demo01 {
// 1.定义一个共享变量number
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 2.对number进行1000的++操作
Runnable increment = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
atomicInteger.incrementAndGet(); // 变量赋值的原子性
}
};
List<Thread> list = new ArrayList<>();
// 3.使用5个线程来进行
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(increment);
t.start();
list.add(t);
}
for (Thread t : list) {
t.join();
}
System.out.println("atomicInteger = " + atomicInteger.get());
}
}
CAS原理
通过刚才
AtomicInteger
的源码我们可以看到,
Unsafe
类提供了原子操作。
Unsafe
类介绍
Unsafe
类使
Java
拥有了像
C
语言的指针一样操作内存空间的能力,同时也带来了指针的问题。过度的使 用Unsafe
类会使得出错的几率变大,因此
Java
官方并不建议使用的,官方文档也几乎没有。Unsafe对象不能直接调用,只能通过反射获得。

Unsafe实现CAS
乐观锁和悲观锁
悲观锁从悲观的角度出发:
总是假设最坏的情况,每次去拿数据的时候都认为别人会修改,所以每次在拿数据的时候都会上锁,这
样别人想拿这个数据就会阻塞。因此synchronized我们也将其称之为悲观锁。JDK中的ReentrantLock
也是一种悲观锁。性能较差!
乐观锁从乐观的角度出发:
总是假设最好的情况,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,就算改了也没关系,再重试即可。所
以不会上锁,但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去修改这个数据,如何没有人修改则更
新,如果有人修改则重试。
CAS这种机制我们也可以将其称之为乐观锁。综合性能较好!
CAS获取共享变量时,为了保证该变量的可见性,需要使用volatile修饰。结合CAS和volatile可以
实现无锁并发,适用于竞争不激烈、多核 CPU 的场景下。
1. 因为没有使用 synchronized,所以线程不会陷入阻塞,这是效率提升的因素之一。
2. 但如果竞争激烈,可以想到重试必然频繁发生,反而效率会受影响。
小结
CAS的作用? Compare And Swap,CAS可以将比较和交换转换为原子操作,这个原子操作直接由处理
器保证。
CAS的原理?CAS需要3个值:内存地址V,旧的预期值A,要修改的新值B,如果内存地址V和旧的预期值
A相等就修改内存地址值为B
synchronized
锁升级过程
高效并发是从
JDK 5
到
JDK 6
的一个重要改进,
HotSpot
虛拟机开发团队在这个版本上花费了大量的精力去实现各种锁优化技术,包括偏向锁( Biased Locking )
、轻量级锁
( Lightweight Locking )
和如适应性 自旋(Adaptive Spinning)
、锁消除
( Lock Elimination)
、锁粗化
( Lock Coarsening )
等,这些技术都是为 了在线程之间更高效地共享数据,以及解决竞争问题,从而提高程序的执行效率。
无锁
--
》偏向锁
--
》轻量级锁
–
》重量级锁
Java
对象的布局
术语参考
:
http://openjdk.java.net/groups/hotspot/docs/HotSpotGlossary.html
在JVM中,对象在内存中的布局分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充。如下图所示:

对象头
当一个线程尝试访问
synchronized
修饰的代码块时,它首先要获得锁,那么这个锁到底存在哪里呢?是存在锁对象的对象头中的。 HotSpot采用
instanceOopDesc
和
arrayOopDesc
来描述对象头,
arrayOopDesc
对象用来描述数组类 型。instanceOopDesc
的定义的在
Hotspot
源码的
instanceOop.hpp
文件中,另外,
arrayOopDesc 的定义对应 arrayOop.hpp
。

从
instanceOopDesc
代码中可以看到
instanceOopDesc
继承自
oopDesc
,
oopDesc
的定义载
Hotspot源码中的 oop.hpp
文件中。

在普通实例对象中,
oopDesc
的定义包含两个成员,分别是
_mark
和
_metadata
_mark
表示对象标记、属于
markOop
类型,也就是接下来要讲解的
Mark World
,它记录了对象和锁有
关的信息
_metadata
表示类元信息,类元信息存储的是对象指向它的类元数据
(Klass)
的首地址,其中
Klass
表示
普通指针、
_compressed_klass
表示压缩类指针。
对象头由两部分组成,一部分用于存储自身的运行时数据,称之为
Mark Word
,另外一部分是类型指
针,及对象指向它的类元数据的指针。
Mark Word
Mark Word
用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(
HashCode
)、
GC
分代年龄、锁状态标志、
线程持有的锁、偏向线程
ID
、偏向时间戳等等,占用内存大小与虚拟机位长一致。
Mark Word
对应的类
型是
markOop
。源码位于
markOop.hpp
中。
在
64
位虚拟机下,
Mark Word
是64bit大小的,其存储结构如下:

在
32
位虚拟机下,
Mark Word
是32bit大小的,其存储结构如下:

klass pointer
这一部分用于存储对象的类型指针,该指针指向它的类元数据,
JVM
通过这个指针确定对象是哪个类的
实例。该指针的位长度为
JVM
的一个字大小,即
32
位的
JVM
为
32
位,
64
位的
JVM
为
64
位。 如果应用的对
象过多,使用
64
位的指针将浪费大量内存,统计而言,
64
位的
JVM
将会比
32
位的
JVM
多耗费
50%
的内
存。为了节约内存可以使用选项
-
XX:+UseCompressedOops
开启指针压缩,其中,
oop
即
ordinary
object pointer
普通对象指针。开启该选项后,下列指针将压缩至
32
位:
1.
每个
Class
的属性指针(即静态变量)
2.
每个对象的属性指针(即对象变量)
3.
普通对象数组的每个元素指针
当然,也不是所有的指针都会压缩,一些特殊类型的指针
JVM
不会优化,比如指向
PermGen
的
Class
对
象指针
(JDK8
中指向元空间的
Class
对象指针
)
、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和
NULL
指针等。
对象头
= Mark Word +
类型指针(未开启指针压缩的情况下)
在
32
位系统中,
Mark Word = 4 bytes
,类型指针
= 4bytes
,对象头
= 8 bytes = 64 bits
;
在
64
位系统中,
Mark Word = 8 bytes
,类型指针
= 8bytes
,对象头
= 16 bytes = 128bits
;
实例数据
就是类中定义的成员变量。
对齐填充
对齐填充并不是必然存在的,也没有什么特别的意义,他仅仅起着占位符的作用,由于
HotSpot VM
的
自动内存管理系统要求对象起始地址必须是
8
字节的整数倍,换句话说,就是对象的大小必须是
8
字节的
整数倍。而对象头正好是
8
字节的倍数,因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充
来补全。
小结
Java
对象由
3
部分组成,对象头,实例数据,对齐数据
对象头分成两部分:
Mark World + Klass pointer
偏向锁
目标
学习偏向锁的原理和好处
什么是偏向锁
偏向锁是
JDK 6
中的重要引进,因为
HotSpot
作者经过研究实践发现,在大多数情况下,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,引进了偏向锁。
偏向锁的
“
偏
”
,就是偏心的
“
偏
”
、偏袒的
“
偏
”
,它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的线程,会在对
象头存储锁偏向的线程
ID
,以后该线程进入和退出同步块时只需要检查是否为偏向锁、锁标志位以及
ThreadID
即可。

不过一旦出现多个线程竞争时必须撤销偏向锁,所以撤销偏向锁消耗的性能必须小于之前节省下来的 CAS原子操作的性能消耗,不然就得不偿失了
偏向锁原理
当线程第一次访问同步块并获取锁时,偏向锁处理流程如下:
1. 虚拟机将会把对象头中的标志位设为“01”,即偏向模式。
2. 同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中 ,如果CAS操作
成功,持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何
同步操作,偏向锁的效率高。

持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作,偏向锁的效率高。
偏向锁的撤销
1.
偏向锁的撤销动作必须等待全局安全点
2.
暂停拥有偏向锁的线程,判断锁对象是否处于被锁定状态
3.
撤销偏向锁,恢复到无锁(标志位为
01
)或轻量级锁(标志位为
00
)的状态
偏向锁在
Java 6
之后是默认启用的,但在应用程序启动几秒钟之后才激活,可以使用
-
XX:BiasedLockingStartupDelay=0
参数关闭延迟,如果确定应用程序中所有锁通常情况下处于竞争
状态,可以通过
XX:
-
UseBiasedLocking=false
参数关闭偏向锁。
偏向锁好处
偏向锁是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能,适用于一个线程反复获得同一锁的情况。偏向
锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能。
它同样是一个带有效益权衡性质的优化,也就是说,它并不一定总是对程序运行有利,如果程序中大多
数的锁总是被多个不同的线程访问比如线程池,那偏向模式就是多余的。
在
JDK5
中偏向锁默认是关闭的,而到了
JDK6
中偏向锁已经默认开启。但在应用程序启动几秒钟之后才
激活,可以使用
-
XX:BiasedLockingStartupDelay=0
参数关闭延迟,如果确定应用程序中所有锁通常
情况下处于竞争状态,可以通过
XX:
-
UseBiasedLocking=false
参数关闭偏向锁。
小结
偏向锁的原理是什么
?
当锁对象第一次被线程获取的时候,
虚拟机将会把对象头中的标志位设为“01”,即偏向模式。
同时使用CAS操 作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中 ,
如果CAS操作成功,持有偏向锁的线程以后每 次进入这个锁相关的同步块时,
虚拟机都可以不再进行任何同步操作,偏向锁的效率高
偏向锁的好处是什么
?
偏向锁是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能,适用于一个线程反复获得同一锁的情况。
偏向锁可以 提高带有同步但无竞争的程序性能
轻量级锁
什么是轻量级锁
轻量级锁是
JDK 6
之中加入的新型锁机制,它名字中的
“
轻量级
”
是相对于使用
monitor
的传统锁而言的,
因此传统的锁机制就称为
“
重量级
”
锁。首先需要强调一点的是,轻量级锁并不是用来代替重量级锁的。
引入轻量级锁的目的:在多线程交替执行同步块的情况下,尽量避免重量级锁引起的性能消耗,但是如
果多个线程在同一时刻进入临界区,会导致轻量级锁膨胀升级重量级锁,所以轻量级锁的出现并非是要
替代重量级锁。
轻量级锁原理
当关闭偏向锁功能或者多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁,则会尝试获取轻量级锁,其步
骤如下: 获取锁
当锁对象第一次被线程获取的时候,虚拟机将会把对象头中的标志位设为
“01”
,即偏向模式。同时使用
CAS
操
作把获取到这个锁的线程的
ID
记录在对象的
Mark Word
之中 ,如果
CAS
操作成功,持有偏向锁的线程以后每
次进入这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作,偏向锁的效率高。
偏向锁是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能,适用于一个线程反复获得同一锁的情况。偏向锁可以
提高带有同步但无竞争的程序性能。
1.
判断当前对象是否处于无锁状态(
hashcode
、
0
、
01
),如果是,则
JVM
首先将在当前线程的栈帧
中建立一个名为锁记录(
Lock Record
)的空间,用于存储锁对象目前的
Mark Word
的拷贝(官方
把这份拷贝加了一个
Displaced
前缀,即
Displaced Mark Word
),将对象的
Mark Word
复制到栈
帧中的
Lock Record
中,将
Lock Reocrd
中的
owner
指向当前对象。
2. JVM
利用
CAS
操作尝试将对象的
Mark Word
更新为指向
Lock Record
的指针,如果成功表示竞争到
锁,则将锁标志位变成
00
,执行同步操作。
3.
如果失败则判断当前对象的
Mark Word
是否指向当前线程的栈帧,如果是则表示当前线程已经持
有当前对象的锁,则直接执行同步代码块;否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了,这时轻
量级锁需要膨胀为重量级锁,锁标志位变成
10
,后面等待的线程将会进入阻塞状态。

轻量级锁的释放
轻量级锁的释放也是通过
CAS
操作来进行的,主要步骤如下:
1.
取出在获取轻量级锁保存在
Displaced Mark Word
中的数据。
2.
用
CAS
操作将取出的数据替换当前对象的
Mark Word
中,如果成功,则说明释放锁成功。
3.
如果
CAS
操作替换失败,说明有其他线程尝试获取该锁,则需要将轻量级锁需要膨胀升级为重量级
锁。
对于轻量级锁,其性能提升的依据是
“
对于绝大部分的锁,在整个生命周期内都是不会存在竞争的
”
,如
果打破这个依据则除了互斥的开销外,还有额外的
CAS
操作,因此在有多线程竞争的情况下,轻量级锁
比重量级锁更慢。
轻量级锁好处
在多线程交替执行同步块的情况下,可以避免重量级锁引起的性能消耗。
小结
轻量级锁的原理是什么?
将对象的
Mark Word
复制到栈帧中的
Lock Recod
中。
Mark Word
更新为指向
Lock Record
的指针。
轻量级锁好处是什么?
在多线程交替执行同步块的情况下,可以避免重量级锁引起的性能消耗。
自旋锁
自旋锁原理
synchronized (Demo01.class) { ... System.out.println("aaa"); }
前面我们讨论
monitor
实现锁的时候,知道
monitor
会阻塞和唤醒线程,线程的阻塞和唤醒需要
CPU
从
用户态转为核心态,频繁的阻塞和唤醒对
CPU
来说是一件负担很重的工作,这些操作给系统的并发性能
带来了很大的压力。同时,虚拟机的开发团队也注意到在许多应用上,共享数据的锁定状态只会持续很
短的一段时间,为了这段时间阻塞和唤醒线程并不值得。如果物理机器有一个以上的处理器,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。为了让线程等待,我们只需让线程执行一个忙循环
(
自
旋
) ,
这项技术就是所谓的自旋锁
自旋锁在
JDK 1.4.2
中就已经引入 ,只不过默认是关闭的,可以使用
-XX:+UseSpinning
参数来开启,在
JDK 6
中 就已经改为默认开启了。自旋等待不能代替阻塞,且先不说对处理器数量的要求,自旋等待本
身虽然避免了线程切换的开销,但它是要占用处理器时间的,因此,如果锁被占用的时间很短,自旋等
待的效果就会非常好,反之,如果锁被占用的时间很长。那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源,而
不会做任何有用的工作,反而会带来性 能上的浪费。因此,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成功获得锁,就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值
是
10
次,用户可以使用参数
-XX : PreBlockSpin
来更改。
适应性自旋锁
在
JDK 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了,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。如果在同一个锁对象上,自旋等待刚刚成功获得过锁,并且持
有锁的线程正在运行中,那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功,进而它将允许自旋等待持
续相对更长的时间,比如
100
次循环。另外,如果对于某个锁,自旋很少成功获得过,那在以后要获取
这个锁时将可能省略掉自旋过程,以避免浪费处理器资源。有了自适应自旋,随着程序运行和性能监控
信息的不断完善,虚拟机对程序锁的状况预测就会越来越准确,虛拟机就会变得越来越
“
聪明
”
了
锁消除
锁消除是指虚拟机即时编译器(
JIT
)在运行时,对一些代码上要求同步,但是被检测到不可能存在共享
数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持,如果判断在一段代码中,
堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到,那就可以把它们当做栈上数据对待,认为它们
是线程私有的,同步加锁自然就无须进行。变量是否逃逸,对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确
定,但是程序员自己应该是很清楚的,怎么会在明知道不存在数据争用的情况下要求同步呢
?
实际上有
许多同步措施并不是程序员自己加入的,同步的代码在
Java
程序中的普遍程度也许超过了大部分读者的
想象。下面这段非常简单的代码仅仅是输出
3
个字符串相加的结果,无论是源码字面上还是程序语义上
都没有同步。
public class Demo01 {
public static void main(String[] args)
{
contactString("aa", "bb", "cc");
}
public static String contactString(String s1, String s2, String s3)
{
return new StringBuffer().append(s1).append(s2).append(s3).toString();
}
}
StringBuffffer
的
append ( )
是一个同步方法,锁就是
this
也就是
(new StringBuilder())
。虚拟机发现它的
动态作用域被限制在
concatString( )
方法内部。也就是说
, new StringBuilder()
对象的引用永远不会
“
逃
逸
”
到
concatString ( )
方法之外,其他线程无法访问到它,因此,虽然这里有锁,但是可以被安全地消除
掉,在即时编译之后,这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行了。
锁粗化
原则上,我们在编写代码的时候,总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小,只在共享数据的实际作
用域中才进行同步,这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小,如果存在锁竞争,那等待锁的线
程也能尽快拿到锁。大部分情况下,上面的原则都是正确的,但是如果一系列的连续操作都对同一个对
象反复加锁和解锁,甚至加锁操作是出现在循环体中的,那即使没有线程竞争,频繁地进行互斥同步操
作也会导致不必要的性能损耗。
public class Demo01 {
public static void main(String[] args) {
StringBuffer sb = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
sb.append("aa");
}
System.out.println(sb.toString());
}
}
小结
什么是锁粗化?
JVM
会探测到一连串细小的操作都使用同一个对象加锁,将同步代码块的范围放大,放
到这串操作的外面,这样只需要加一次锁即可。
平时写代码如何对synchronized优化
减少
synchronized
的范围
同步代码块中尽量短,减少同步代码块中代码的执行时间,减少锁的竞争。

降低
synchronized
锁的粒度
将一个锁拆分为多个锁提高并发度

读写分离
读取时不加锁,写入和删除时加锁
ConcurrentHashMap
,
CopyOnWriteArrayList
和
ConyOnWriteSet