線程和偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖的知識整理

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參考文章列表:

Java併發編程:Synchronized底層優化(偏向鎖、輕量級鎖)

輕量級鎖、偏向鎖、重量級鎖詳情

偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖、自旋鎖原理講解(推薦看一下)

參考視頻:咕泡學院Mic老師的多線程基本原理


主要的內容如下

  • 多線程同時執行的安全問題思考
  • Synchronized的基本認識
  • 思考鎖的存儲
  • Synchronized鎖的升級原理
  • wait/notify實現線程通信

多線程同時執行的安全問題思考

如果業務代碼邏輯當中,有一個操作需要改變一個常量的值,比如int i = 0, 業務代碼當中i需要i++。單線程的情況下,不會出現問題,如果是多線程併發操作i的值,這個時候,i的結果最終是什麼?會出現線程的安全問題。這種情況應該怎麼解決?

線程的安全性有三種

  • 原子性
    • 提供了互斥訪問,同一時刻只能有一個線程對它進行操作
    • 實現鎖的兩種方式:
      1)synchronized:在作用對象的作用範圍內,依賴JVM實現操作的原子性。
      2)Lock:依賴特殊的CPU指令,代碼實現。
  • 可見性
    • 一個線程對主記憶體的修改可以及時的被其他線程觀察到。
    • 具體實現過程:
      1)對volatile變數寫操作時,會在寫操作後加入一條store屏障指令,將本地記憶體中的共用變數值刷新到主記憶體。
      2)對volatile變數讀操作時,會在讀操作前加入一條load屏障指令,從主記憶體中讀取共用變數。
  • 有序性
    • Java記憶體模型中,允許編譯器和處理器對指令進行重排序,但重排序過程不會影響到單線程程式的執行,卻會影響到多線程併發執行的正確性。

Synchronized的基本認識

在java當中Synchronized是一種同步鎖,也是一種互斥鎖,當有一個線程拿到這個鎖的時候,其他的線程就拿不到。在jdk1.6以前Synchronized是重量鎖,之後做了相關優化,性能有一定的提升。

  • Synchronized的基本使用
    • 修飾示例的方法
    • 修飾靜態方法
    • 修飾代碼塊

思考鎖的存儲

Synchronized鎖的存儲

  • 對象在記憶體中的佈局
  • Markword

鎖的狀態總共有四種

  • 無鎖狀態
  • 偏向鎖
  • 輕量級鎖
  • 重量級鎖

    鎖的狀態總共有四種:無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。隨著鎖的競爭,鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖,再升級的重量級鎖(但是鎖的升級是單向的,也就是說只能從低到高升級,不會出現鎖的降級)。JDK 1.6中預設是開啟偏向鎖和輕量級鎖的,我們也可以通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。鎖的狀態保存在對象的頭文件中,以32位的JDK為例:

鎖狀態 25bit 4bit 1bit 2bit
23bit 2bit 是否偏向鎖(是否禁用偏向) 鎖標誌位
無鎖態 對象的hashCode 分代年齡 0 01
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 11
偏向鎖 線程ID Epoch 分代年齡 1 01

這些鎖不等同於Java API中的ReentratLock這種鎖,這些鎖是概念上的,是JDK1.6中為了對synchronized同步關鍵字進行優化而產生的的鎖機制。這些鎖的啟動和關閉策略可以通過設定JVM啟動參數來設置,當然在一般情況下,使用JVM預設的策略就可以了。

偏向鎖

通俗的講,偏向鎖就是在運行過程中,對象的鎖偏向某個線程。即在開啟偏向鎖機制的情況下,某個線程獲得鎖,當該線程下次再想要獲得鎖時,不需要再獲得鎖(即忽略synchronized關鍵詞),直接就可以執行同步代碼,比較適合競爭較少的情況。

輕量級鎖

輕量級鎖不是用來替代傳統的重量級鎖的,而是在沒有多線程競爭的情況下,使用輕量級鎖能夠減少性能消耗,但是當多個線程同時競爭鎖時,輕量級鎖會膨脹為重量級鎖。

重量級鎖

即當有其他線程占用鎖時,當前線程會進入阻塞狀態。

wait/notify實現線程通信

wait:釋放鎖,阻塞線程
notify:喚醒一個線程


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