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synchronized进阶原理

article 2024/10/30 8:53:20

synchronized进阶原理

1.轻量级锁

轻量级锁的使用场景:如果一个对象虽然有多个线程访问,但多线程访问的时间是错开的(也就是没有竞争),那么可以使用轻量级锁来优化(如果出现竞争,操作系统会将轻量级锁升级为重量级锁)。轻量级锁对使用者是透明的(由操作系统控制),即语法仍是synchronized。

假设有两个方法同步块,利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object();
public static void method1(){
    synchronized(obj){
        //同步块A
        method2();
    }
}
public static void method2(){
    synchronized(obj){
        //同步块B
    }
}

创建锁记录(Lock Record)对象,每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构,内部可以存储锁定对象的Mark Word

在这里插入图片描述

让锁记录中Object reference 指向锁对象,并尝试用cas替换Object的Mark Word,将Mark Word的值存入锁记录(01代表未上锁,00代表上轻量级锁)

在这里插入图片描述

如果cas替换成功,对象头中存储了锁记录地址和状态00,表示由该线程给对象加锁

在这里插入图片描述

如果cas失败,有两种情况

· 如果其它线程已经持有了该Object的轻量级锁,这时表明有竞争,进入锁膨胀过程

· 如果是自己执行了synchronized锁重入(自己又对synchronized加锁了),那么再添加一条Lock Record作为重入的计数

在这里插入图片描述

当退出synchronized代码块(解锁时)如果有取值为null的锁记录,表示有重入,这时重置锁记录,表示重入计数减一

在这里插入图片描述

当退出synchronized代码块(解锁时)锁记录的值不为null,这时使用cas将Mark Word的值恢复给对象头

· 成功,则解锁成功

· 失败,说明轻量级锁进行了膨胀或已经升级为重量级锁,进入重量级锁解锁流程

2.锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中,CAS操作无法成功,这时一种情况就是有其他线程为此对象加上了轻量级锁(有竞争),这时需要进行锁膨胀,将轻量级锁变为重量级锁。

static Object obj = new Object();
public static void method1(){
    synchronized(obj){
        //同步块
    }
}

当Thread-1进行轻量级锁时,Thread-0已经对该对象加了轻量级锁

在这里插入图片描述

这时Thread-1加轻量级锁失败,进入锁膨胀流程

· 即为Object对象申请Monitor锁,让Object指向重量级锁地址

· 然后自己进入Monitor的EntryList中 BLOCKED

在这里插入图片描述

当Thread-0退出同步代码块解锁时,使用cas将Mark Word的值恢复给对象头,失败。这时会进入重量级解锁流程,即按照Monitor地址找到Monitor对象,设置Owner为null,唤醒EntryList中BLOCKED线程,从它们中竞争出下一个与Owner关联的线程

3.自旋优化

重量级锁竞争的时候,还可以使用自旋锁来进行优化,如果当前线程自旋锁成功(即这时候持锁线程已经退出了同步块,释放了锁),这时当前线程就可以避免阻塞。

自选重试成功的情况

在这里插入图片描述

自旋重试失败的情况

在这里插入图片描述

在java6之后自旋锁是自适应的,比如对象刚刚的一次自旋操作成功过,那么认为这次自旋成功的可能性会高,就多自旋几次;反之,就少自旋甚至不自旋。自旋会占用CPU时间,单核CPU自旋就是浪费,多核CPU自旋才能发挥优势。java7之后不能控制是否开启自旋功能。

4.偏向锁

轻量级锁在没有竞争时(就自己这个线程),每次重入仍需要执行CAS操作。java6中引入了偏向锁来做进一步优化:只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头,之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争,不用重新CAS。以后只要不发生竞争,这个对象就归该线程所有。

static final Object obj = new Object();
public static void m1(){
    synchronized(obj){
        //同步块A
        m2();
    }
}
public static void m2(){
    synchronized(obj){
        //同步块B
        m3();
    }
}
public static void m3(){
    synchronized(obj){
        //同步块C
    }
}