Java之锁研究

Lock和synchronized

    JDK1.5以后，在锁机制方面引入了新的锁-Lock，在网上的说法都比较笼统，结合网上的信息和我的理解这里做个总结。

    java现有的锁机制有两种实现方式，J.DK1.4前是通过synchronized实现，JDK1.5后加入java.util.concurrent.locks包下的各种lock（以下简称Lock）

    先说说代码层的区别。
    synchronized：在代码里，synchronized类似“面向对象”，修饰类、方法、对象。
    Lock：不作为修饰，类似“面向过程”，在方法中需要锁的时候lock，在结束的时候unlock（一般都在finally块里）。
例如代码：

public void method1() {
	synchronized(this){//旧锁，无需人工释放
		System.out.println(1);
	}
}
	
public void method2() {
	Lock lock = new ReentrantLock();
	lock.lock();//上锁
	try{
		System.out.println(2);
	}finally{
		lock.unlock();//解锁
	}
}

    其次说说性能。
    相关的性能测试网上已经有很多，这里也直接拿来主义，给出结论：
    在并发高是，luck性能优势很明显，在低并发时，synchronized也能取得优势。具体的临界范围比较难定论，下面会讨论。

    现在来分析它们具体的区别。
    锁都是 原子性 的，也可以理解为锁是否在使用的标记，并且比较和设置这个标记的操作是原子性的，不同硬件平台上的jdk实现锁的相关方法都是native的（比如park/unpark），所以不同平台上锁的精确度的等级由这些native的方法决定。所以网上经常可以看见的结论是“Lock比synchronized有更精确的原子操作”说的也是native方法（不得不感慨C才是硬件王道）。


下面继续讨论怎么由代码层到native的过程。
1、所有对象都自动含有单一的锁，JVM负责跟踪对象被加锁的次数。如果一个对象被解锁，其计数变为0。在任务（线程）第一次给对象加锁的时候，计数变为1。每当这个相同的任务（线程）在此对象上获得锁时，计数会递增。 只有首先获得锁的任务（线程）才能继续获取该对象上的多个锁。每当任务离开时，计数递减，当计数为0的时候，锁被完全释放。synchronized就是基于这个原理，同时synchronized靠某个对象的单一锁技术的次数来判断是否被锁，所以无需（也不能）人工干预锁的获取和释放。如果结合方法调用时的栈和框架（如果对方法的调用过程不熟悉建议看看http://wupuyuan.iteye.com/blog/1157548），不难推测出synchronized原理是基于栈中的某对象来控制一个框架，所以对于synchronized有常用的优化是锁对象不锁方法。实际上synchronized作用于方法时，锁住的是“this”，作用于静态方法/属性时，锁住的是存在于永久带的CLASS，相当于这个CLASS的全局锁，锁作用于一般对象时，锁住的是对应代码块。在HotSpot中JVM实现中，锁有个专门的名字：对象监视器。


当多个线程同时请求某个对象监视器时，对象监视器会设置几种状态用来区分请求的线程
Contention List：所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列，是个虚拟队列，不是实际的Queue的数据结构。
Entry List：EntryList与ContentionList逻辑上同属等待队列，ContentionList会被线程并发访问，为了降低对ContentionList队尾的争用，而建立EntryList。，Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List
Wait Set：那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set
OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck
Owner：获得锁的线程称为Owner
!Owner：释放锁的线程

2、Lock不同于synchronized面向对象，它基于栈中的框架而不是某个具体对象，所以Lock只需要在栈里设置锁的开始和结束（lock和unlock）的地方就行了（人工必须标明），不用关心框架大小对象的变化等等。这么做的好处是Lock能提供无条件的、可轮询的、定时的、可中断的锁获取操作，相对于synchronized来说，synchronized的锁的获取是释放必须在一个模块里，获取和释放的顺序必须相反，而Lock则可以在不同范围内获取释放，并且顺序无关。java.util.concurrent.locks下的锁类很类似，依赖于java.util.concurrent.AbstractQueuedSynchronizer，它们把所有的Lock接口操作都转嫁到Sync类上，这个类继承了AbstractQueuedSynchronizer，它同时还包含子2个类：NonfairSync 和FairSync 从名字上可以看的出是为了实现公平和非公平性。AbstractQueuedSynchronizer中把所有的的请求线程构成一个队列（一样也是虚拟的），具体的实现可以参考http://blog.csdn.net/chen77716/article/details/6641477#，这里我就不复制了。

3、从jdk的源代码来看，Lock和synchronized的源码基本相同，区别主要在维护的同步队列上。再往下深究就到了native方法了。

4、还有个改进我也想说下，其实很重要的。线程分阻塞（wait）和非阻塞状态，阻塞状态由操作系统（linux、windows等）完成，当前一个被“锁”的线程执行完毕后，有可能在后续的线程队列里还没分配出一个获取锁而被“唤醒”的非阻塞线程，即所有线程还都是阻塞状态时，就被系统调度（进入内核的线程是阻塞的），这样会导致内核在用户态和内核态之间来回接换，严重影响锁的性能。在jdk1.6以前主要靠自旋锁来解决，原理是在前一个线程结束后，争用线程可以做一个空循环，继续占有CPU，等待取锁的机会。当然这样做显然也是浪费时间，只是在两种浪费中选取浪费少的……  jdk1.6后引入了偏向锁，当线程第一次获得了监视对象，之后让监视对象“偏向”这个线程，之后的多次调用则可以避免CAS操作，等于是置了一临时变量来记录位置（类似索引比较）。详细的就涉及到汇编指令了，我也就没太深究，偏向锁性能优于自旋锁，但是还是没有达到HotSpot认为的最佳时间（一个线程上下文切换的时间）。

    综合来看对于所有的高并发情况，采用Lock加锁是最优选择，但是由于历史遗留等问题，synchronized也还是不能完全被淘汰，同时，在低并发情况下，synchronized的性能还是比Lock好的。

    最后还是希望各位拍砖。

评论

2 楼 wupuyuan 2011-08-31  

xieyuNL 写道

不错，对于加锁方面的内容如果有图形讲解和形象的例子就更好了，因为这些东西本身较为抽象，很多人看了估计是云里雾里的感觉。

这个……这里图形上传还不熟……多谢来捧场，哈哈

1 楼 xieyuNL 2011-08-30  

不错，对于加锁方面的内容如果有图形讲解和形象的例子就更好了，因为这些东西本身较为抽象，很多人看了估计是云里雾里的感觉。