Synchronized

Synchronized原理 #

基础 #

在多线程并发编程中 Synchronized 一直是元老级角色,很多人都会称呼它为重量级锁,但是随着 Java SE1.6Synchronized 进行了各种优化,引入了 偏向锁轻量级锁。所以在 Java SE1.6 里锁一共有四种状态,无锁状态偏向锁状态轻量级锁状态重量级锁状态,它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁,但是偏向锁状态可以被重置为无锁状态(锁撤销)。这种锁升级却不能降级的策略,目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

锁状态 优点 缺点 适用场景
偏向锁 加锁、解锁无额外消耗,和非同步方式近似 如果竞争线程多,会有额外锁撤销的消耗 基本没有线程竞争的场景
轻量级锁 竞争线程不会阻塞,使用自旋等待 如果长时间不能获取锁,会消耗CPU 少量线程竞争,且线程持有锁时间不长
重量级锁 竞争线程被阻塞,减少CPU空转 线程阻塞,响应时间长 很多线程竞争,锁持有时间长

Java中的每一个对象都可以作为锁。

  • 对于同步方法,锁是当前实例对象。
  • 对于静态同步方法,锁是当前对象的Class对象。
  • 对于同步方法块,锁是Synchonized括号里配置的对象。

当一个线程试图访问同步代码块时,它首先必须得到锁,退出或抛出异常时必须释放锁。

锁的升级 #

目前锁一共有4种状态,级别从低到高依次是:无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁状态只能升级不能降级。

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。偏向锁是为了在只有一个线程执行同步块时提高性能。

biased_lock

轻量级锁 #

这里解释下其中几个重要的步骤:

  • 复制 Mark Word 到锁记录:拷贝对象头中的 Mark Word 到锁记录中。
  • 更新 Mark Word 指针:拷贝成功后,虚拟机将使用 CAS 操作尝试将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 指针,并将 Lock Record 里的 owner 指针指向对象的 Mark Word。

重量级锁 #

在重量级锁的状态下, JVM 基于进入和退出 Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步,Monitor 的引用存储在对象头中。

Monitor 本身是依赖与操作系统的互斥锁(mutex lock)实现的。由于 JVM 线程是映射到操作系统的原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一条线程,都需要操作系统来帮忙完成,这就需要从用户态转换到核心态中,因此这种转换需要耗费很多的 CPU 时间。

锁粗化 #

同步块的作用范围应该尽可能小,仅在共享数据的实际作用域中才进行同步,这样做的目的是为了使需要同步的操作数量尽可能缩小,缩短阻塞时间,如果存在锁竞争,那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。 

但是加锁解锁也需要消耗资源,如果存在一系列的连续加锁解锁操作,可能会导致不必要的性能损耗。 锁粗化就是 JVM 将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起,扩展成一个范围更大的锁,避免频繁的加锁解锁操作。

锁消除 #

Java 虚拟机在 JIT 编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译,又称即时编译),通过对运行上下文的扫描,经过逃逸分析,去除不可能存在共享资源竞争的锁,通过这种方式消除没有必要的锁,可以节省毫无意义的请求锁时间

Synchronized vs ReentrantLock #

  1. synchronized 是 Java 关键字,ReentrantLock 是基于 AQS 的 API 层面的互斥锁
  2. ReentrantLock 设置等待超时时间
  3. ReentrantLock 可进行公平锁与非公平锁设置
  4. ReentrantLock 可绑定多个 Condition
  5. synchronized 不需要手动释放锁
  6. synchronized 可以修饰方法、代码块

参考链接 #