java线程是映射到操作系统的原生线程之上的,若是要唤醒或阻塞一个线程,都需要操作系统来帮忙完成,这就需要从用户态转换到内核态中,这种转换需要耗费很多的处理时间,有可能比用户代码执行时间都要长。
为了避免以上情况出现,一般能不用锁就不用锁,若是不得不使用的情况下,可以使用偏向锁、自旋锁等。
1、重量级锁
锁的意义是什么呢?
当数据被多个线程共享时,为了保证数据的正确性,避免竞争导致数据错误,这时就必须使用锁,让数据同时只能被一个线程得到并处理。
重量级锁在JVM中又叫对象监视器(Monitor),它包含了一个竞争锁的队列和一个信号阻塞队列,前者负责做互斥,后者负责线程同步。
重量级锁中的挂起线程和恢复线程,都需要从用户态转换到内核态去执行,这其中需要耗费很多时间,对性能有很大的影响。
2、自旋锁
其实锁在大部分情况下会在短时间内执行完成,占用锁的时间不会太长,基于这种情况,自旋锁出现了。
自旋锁顾名思义,是采用让当前线程不停地循环去获取锁,而不是让线程挂起,这样就少了唤醒线程的消耗。
在当前线程不停地获取锁时,会占用CPU时间,增加CPU的消耗,在多核处理器上优势比较明显,若锁保持的时间不长,线程竞争不激烈,自旋锁是很不错的。
相反,若锁被长期占用,线程数也不断增加,就变成了“忙式等待”,这时自旋锁的性能就会下降。
为了控制自旋锁循环的次数,JDK1.5默认自旋锁循环10次若还未得到锁就升级为重量级锁,在JDK1.6中更是引入了自适应自旋锁,这种简单来说,就是若自旋成功率高,就会让线程经过较长时间的自旋,比如自旋100次;若自旋失败率高,就会让线程自旋次数很少,甚至不自旋,直接就升级为重量级锁了。
3、偏向锁
不论是重量级锁还是自旋锁,在进入或退出时,都得通过CAS来修改对象头的Mark Word来进行加锁和释放锁。
针对对象头,一般包含两部分,第一部分用户存储对象自身的运行时数据(Mark Word),比如hashcode、GC分代年龄、锁状态标记等,另外一部分为类型指针(Klass),即对象指向它的类元数据指针。若对象为数据,则还会有一部分,用户记录数据长度的数据。
在一些情况下,总是同一个线程获取到锁,此时每次都得通过CAS修改对象头的Mark Word,显然是比较多余的,由此就产生了偏向锁。
在JDK1.6中引入了偏向锁,当一个线程获取到锁的时候,会在对象头中放入偏向线程的ID,当下次这个线程再获取此锁的时候,就会直接检查线程ID是否一致,若是一致就说明获取到锁了,不用再进行CAS操作,若是不一致,则去检测对象头中Mark Word中的偏向锁标记是否为1,若是,则尝试使用CAS修改对象头中的偏向线程ID为当前线程,若不是,则使用CAS竞争锁。
偏向锁使用了一种竞争才会释放锁的机制,也就是只有其他线程竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才有可能释放锁。
偏向锁在JDK1.6和1.7中都是默认开启的,但是需要在程序启动几秒之后才会自动开启,若是不想延迟开启,可以修改参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
现在项目使用多线程的情况比较常见,竞争锁也是比较激烈,每次都是从偏向锁升级到轻量级锁,而偏向锁用得比较少,所以你也可以关闭偏向锁,直接默认进入轻量锁(自旋锁)状态,使用参数-XX:-UseBiasedLocking=false即可
对于锁来说,还有一些其他优化,如锁削除和锁膨胀。
锁削除就是虚拟机即时编译器(JIT)运行时,依据逃逸分析的数据检测到不可能存在竞争锁,就自动把锁削除了,比如局部变量作为锁等。
锁膨胀,简单来说就是频繁执行中对同一对象加锁,反复的加锁和解锁势必会带来很大的性能消耗,这时会自动将锁的范围扩展到频繁执行的外部,将反复锁合并为一个锁。
4、锁升级
以上锁在使用过程中,会自动进行升级,升级的顺序:偏向锁->自旋锁→重量级锁
对于锁升级过程,可以参考以下流程
1、检测Mark Word里面是不是当前线程ID,若是,表示当前线程处于偏向锁,并获取到锁
2、若不是,则尝试使用CAS修改Mark Word置为当前线程ID,若修改成功,则当前线程获得偏向锁,并置偏向位为1
3、若修改失败,则说明发生了竞争,撤销偏向锁,升级为轻量级锁
4、当前线程通过CAS修改Mark Word为锁记录指针,如果成功,则获取到锁
5、若失败,表示有其他线程在竞争锁,当前线程便使用自旋锁尝试获取锁
6、若自旋成功,则依然处于轻量级锁
7、若自旋失败,则升级为重量级锁,线程开始阻塞
5、锁的优缺点对比
偏向锁 | 加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法比,仅存在纳秒级的差距 | 如果线程间存在锁金正,会额外带来锁撤销的消耗 | 适用只有一个线程访问同步块的的场景 |
轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞,提高了程序的响应速度 | 若线程始终获取不到锁,自旋会白白浪费资源,消耗CPU | 追求响应时间,锁占用时间很短的情况 |
重量级锁 | 线程竞争不使用自旋,不消耗CPU | 线程阻塞,响应时间变慢,挂起和唤醒比较消耗资源 | 追求吞吐量,锁占用时间较长 |
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