多線程系列 - 基礎篇02 - 同步的原理 及 鎖在應用層的優化思路 60%

轉載自併發編程網 – ifeve.com本文連接地址: 聊聊併發（二）Java SE1.6中的Synchronized

1.synchronized實現同步的基礎：

①:  對於普通方法，鎖是當前實例對象；

②：對於靜態同步方法，鎖是class對象。

③：同步方法塊，鎖是synchronized後面括號裏的對象。

 當一個線程試圖訪問同步代碼塊時，它首先必須獲得鎖，退出或拋出異常時必須釋放鎖。

  那麼鎖存在哪裏呢？

  鎖裏面會存儲什麼信息呢？

 

2.同步的原理

JVM規範規定JVM基於進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步，但二者的實現細節不同。

代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實現，而方法同步是使用另一種方式實現的，細節在JVM規範裏並無詳細說明，可是方法的同步一樣可使用這兩個指令來實現。

① monitorenter指令是在編譯後插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結束處和異常處。

② JVM要保證每一個monitorenter必須有對應的monitorexit與之配對。

③ 任何對象都有一個 monitor 與之關聯，當且一個monitor 被持有後，它將處於鎖定狀態。

④ 線程執行到 monitorenter 指令時，將會嘗試獲取對象所對應的 monitor 的全部權，即嘗試得到對象的鎖。

 

2.1JAVA對象頭

鎖存在Java對象頭裏。若是對象是數組類型，則虛擬機用3個Word（字寬）存儲對象頭，若是對象是非數組類型，則用2字寬存儲對象頭。

在32位虛擬機中，一字寬等於四字節，即32bit。

長度	內容	說明
32/64bit	Mark Word	存儲對象的hashCode或鎖信息等。
32/64bit	Class Metadata Address	存儲到對象類型數據的指針
32/64bit	Array length	數組的長度（若是當前對象是數組）

Java對象頭裏的Mark Word裏默認存儲對象的HashCode，分代年齡和鎖標記位。32位JVM的Mark Word的默認存儲結構以下：

	25 bit	4bit	1bit是不是偏向鎖	2bit鎖標誌位
無鎖狀態	對象的hashCode	對象分代年齡	0	01

在運行期間Mark Word裏存儲的數據會隨着鎖標誌位的變化而變化。Mark Word可能變化爲存儲如下4種數據：

鎖狀態	25 bit			4bit	1bit	2bit
	23bit		2bit		是不是偏向鎖	鎖標誌位
輕量級鎖	指向棧中鎖記錄的指針					00
重量級鎖	指向互斥量（重量級鎖）的指針					10
GC標記	空					11
偏向鎖	線程ID	Epoch		對象分代年齡	1	01

在64位虛擬機下，Mark Word是64bit大小的，其存儲結構以下：

鎖狀態	25bit	31bit	1bit	4bit	1bit		2bit
			cms_free	分代年齡	偏向鎖		鎖標誌位
無鎖	unused	hashCode			0	01
偏向鎖	ThreadID(54bit) Epoch(2bit)				1	01

 

2.2鎖的升級

Java SE1.6爲了減小得到鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，引入了「偏向鎖」和「輕量級鎖」，

因此在Java SE1.6裏鎖一共有四種狀態，無鎖狀態，偏向鎖狀態，輕量級鎖狀態和重量級鎖狀態，它會隨着競爭狀況逐漸升級。

鎖能夠升級但不能降級，意味着偏向鎖升級成輕量級鎖後不能降級成偏向鎖。

這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是爲了提升得到鎖和釋放鎖的效率，下文會詳細分析。

 

2.3偏向鎖

Hotspot的做者通過以往的研究發現大多數狀況下鎖不只不存在多線程競爭，並且老是由同一線程屢次得到，爲了讓線程得到鎖的代價更低而引入了偏向鎖。

   1)當一個線程訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄裏存儲鎖偏向的線程ID，

   2)之後該線程在進入和退出同步塊時不須要花費CAS操做來加鎖和解鎖，而只需簡單的測試一下對象頭的Mark Word裏是否存儲着指向當前線程的偏向鎖，

   3.1)若是測試成功，表示線程已經得到了鎖；

   3.2)若是測試失敗，則須要再測試下Mark Word中偏向鎖的標識是否設置成1（表示當前是偏向鎖），

                     3.2.1) 若是沒有設置，則使用CAS競爭鎖；

                     3.2.2) 若是設置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程。

 

偏向鎖的撤銷：偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，因此當其餘線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程纔會釋放鎖。

偏向鎖的撤銷，須要等待全局安全點（在這個時間點上沒有字節碼正在執行），

  它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，而後檢查持有偏向鎖的線程是否活着，

    若是線程不處於活動狀態，則將對象頭設置成無鎖狀態，

    若是線程仍然活着，擁有偏向鎖的棧會被執行，遍歷偏向對象的鎖記錄，

         棧中的鎖記錄和對象頭的Mark Word要麼從新偏向於其餘線程，

         要麼恢復到無鎖或者標記對象不適合做爲偏向鎖，最後喚醒暫停的線程。

下圖中的線程1演示了偏向鎖初始化的流程，線程2演示了偏向鎖撤銷的流程。

 

關閉偏向鎖：偏向鎖在Java 6和Java 7裏是默認啓用的，可是它在應用程序啓動幾秒鐘以後才激活，若有必要可使用JVM參數來關閉延遲-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。若是你肯定本身應用程序裏全部的鎖一般狀況下處於競爭狀態，能夠經過JVM參數關閉偏向鎖-XX:-UseBiasedLocking=false，那麼默認會進入輕量級鎖狀態。

 

2.4輕量級鎖

輕量級鎖加鎖：

線程在執行同步塊以前，JVM會先在當前線程的棧楨中建立用於存儲鎖記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱爲Displaced Mark Word。

而後線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換爲指向鎖記錄的指針。

     若是成功，當前線程得到鎖，

     若是失敗，表示其餘線程競爭鎖，當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。

輕量級鎖解鎖：

 輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操做來將Displaced Mark Word替換回到對象頭，

      若是成功，則表示沒有競爭發生。

      若是失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。下圖是兩個線程同時爭奪鎖，致使鎖膨脹的流程圖。

由於自旋會消耗CPU，爲了不無用的自旋（好比得到鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態。

當鎖處於這個狀態下，其餘線程試圖獲取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放鎖以後會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進行新一輪的奪鎖之爭。

 

3.鎖的優缺點對比

鎖	優勢	缺點	適用場景
偏向鎖	加鎖和解鎖不須要額外的消耗，和執行非同步方法比僅存在納秒級的差距。	若是線程間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗。	適用於只有一個線程訪問同步塊場景。
輕量級鎖	競爭的線程不會阻塞，提升了程序的響應速度。	若是始終得不到鎖競爭的線程使用自旋會消耗CPU。	追求響應時間。 同步塊執行速度很是快。
重量級鎖	線程競爭不使用自旋，不會消耗CPU。	線程阻塞，響應時間緩慢。	追求吞吐量。 同步塊執行速度較長。

4.鎖在應用層的優化思路

4.1減小鎖持有的時間

  TODO

4.2減少鎖的粒度

ConcurrentHashMap.java

4.3鎖分離

BlockingQueue.java

4.4鎖粗化

 

5.參考源碼

本文一些內容參考了Hotspot源碼 。對象頭源碼markOop.hpp。偏向鎖源碼biasedLocking.cpp。以及其餘源碼ObjectMonitor.cpp和BasicLock.cpp。