java JUC并发编程 第十章 Synchronized与锁升级

news2024/11/27 19:42:48

系列文章目录

第一章 java JUC并发编程 Future: link
第二章 java JUC并发编程 多线程锁: link
第三章 java JUC并发编程 中断机制: link
第四章 java JUC并发编程 java内存模型JMM: link
第五章 java JUC并发编程 volatile与JMM: link
第六章 java JUC并发编程 CAS: link
第七章 java JUC并发编程 原子操作类增强: link
第八章 java JUC并发编程 ThreadLocal: link
第九章 java JUC并发编程 对象内存布局与对象头: link
第十章 java JUC并发编程 Synchronized与锁升级: link

文章目录

  • 系列文章目录
  • 1. 总纲
  • 2 Synchronized的性能变化
    • 2.1 java5之前，只有Synchronized,这个是操作系统级别的重量级操作
    • 2.2 为什么每一个对象都可以成为一个锁？
      • 2.2.1 markOOp.hpp
      • 2.2.2 Monitor(监视器锁)
      • 2.2.3 结合之前的synchronized和对象头说明
    • 2.3 java6开始，优化Synchronized
  • 3 synchronized锁种类及升级步骤
    • 3.1 多线程访问情况，3种
    • 3.2 升级流程
    • 3.3 无锁
      • 3.3.1 C源码的Mark Word标记
      • 3.3.2 Code演示（重点看注释或者自己运行）
      • 3.3.3 程序不会有锁的竞争
    • 3.4 偏锁
      • 3.4.1 单线程竞争
      • 3.4.2 细化案例Account对象举例说明
      • 3.4.3 偏向锁JVM命令
      • 3.4.4 无效果的code演示
      • 3.4.5 原因是因为参数系统默认开启
      • 3.4.6 关闭延时参数，启用该功能
      • 3.4.7 在idea的这里添加此参数
      • 3.4.8 开始有第二个线程竞争资源
      • 3.4.9 总体步骤流程图
    • 3.5 轻锁
      • 3.5.1 主要作用
      • 3.5.2 64位标记图
      • 3.5.3 轻量级锁的获取
      • 3.5.4 code
      • 3.5.5 步骤流程图
      • 3.5.6 自旋达到一定次数和程度
      • 3.5.7 轻量锁与偏向锁的区别和不同
    • 3.6 重锁
    • 3.7 总结
      • 3.7.1 锁升级发生后，hashcode去哪了？
  • 4 JIT编译器对锁的优化

1. 总纲

在这里插入图片描述
syncnronized锁：由对象头中的Mark Word根据锁标志位的不同而被复用及锁升级策略

2 Synchronized的性能变化

2.1 java5之前，只有Synchronized,这个是操作系统级别的重量级操作

重量级锁，假如锁的竞争比较激烈的话，性能下降
java5之前，用户态和内核之间的切换：
在这里插入图片描述

2.2 为什么每一个对象都可以成为一个锁？

2.2.1 markOOp.hpp

在这里插入图片描述

2.2.2 Monitor(监视器锁)

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.2.3 结合之前的synchronized和对象头说明

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.3 java6开始，优化Synchronized

java6之后，为了减少获得所和释放锁锁带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁
需要有个逐步升级的过程，不能一开始就捅到重量级锁

3 synchronized锁种类及升级步骤

3.1 多线程访问情况，3种

1.只有一个线程来访问，有且唯一
2.有多个线程（2个线程A.B交替访问）
3.竞争激烈，更多个线程来访问

3.2 升级流程

synchronized用的锁是存在java对象头里的Mark Word中锁升级功能主要依赖Mark Work中锁标志位和释放偏向锁标志位
64位标记图：
在这里插入图片描述
偏向锁：MarkWord存储的是偏向的线程id
轻量锁：MarkWord存储的是指向线程栈中Lock Record的指针
重量锁：MarkWord存储的是指向堆中的monitor对象的指针

3.3 无锁

3.3.1 C源码的Mark Word标记

蓝色日志解读： 前25位没有用 31位存的hash 后面1位没有用 age:4(gc的留存) biased_lock(偏向状态)
在这里插入图片描述

3.3.2 Code演示（重点看注释或者自己运行）

package com.atguigu.springcloud.util.interrup;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class SynchronizedUpDemo {
    public static void main(String[] args) {
        /*Object o = new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());*/
        /**
         * 上面输出的结果：没有调用hashcode之前的输出
         *
         * java.lang.Object object internals:
         *  OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
         *       0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
         *       4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
         *       8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         *      12     4        (loss due to the next object alignment)
         * Instance size: 16 bytes
         * Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
         *
         * 说明：14，15行就是64位的Mark word 只有第一位是1（从右下角到左上角倒着看）
         * hashcode：不是new一个对象就给你，而是有调用的时候才会生成
         */


        /*Object o = new Object();
        System.out.println("10进制："+o.hashCode());//分调用和没调用打印的结果不一样
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());*/
        /**
         * o.hashCode代码加上后的打印结果
         *
         * 10进制：653305407
         * java.lang.Object object internals:
         *  OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
         *       0     4        (object header)                           01 3f a6 f0 (00000001 00111111 10100110 11110000) (-257540351)
         *       4     4        (object header)                           26 00 00 00 (00100110 00000000 00000000 00000000) (38)
         *       8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         *      12     4        (loss due to the next object alignment)
         * Instance size: 16 bytes
         * Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
         *
         * 说明：发现hashCode位置已经有值了。
         */

        Object o = new Object();
        System.out.println("10进制："+o.hashCode());
        System.out.println("16进制："+Integer.toHexString(o.hashCode()));
        System.out.println("2进制："+Integer.toBinaryString(o.hashCode()));
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

        /**
         * 上面打印的输出情况：看55,56行对应的59,60行所对应的数字，依然是倒着看
         * 前25位没有用从31位是HashCode
         *
         * 10进制：653305407
         * 16进制：26f0a63f
         * 2进制：100110111100001010011000111111
         * java.lang.Object object internals:
         *  OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
         *       0     4        (object header)                           01 3f a6 f0 (00000001 00111111 10100110 11110000) (-257540351)
         *       4     4        (object header)                           26 00 00 00 (00100110 00000000 00000000 00000000) (38)
         *       8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         *      12     4        (loss due to the next object alignment)
         * Instance size: 16 bytes
         * Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
         */
    }
}

对比下图
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.3.3 程序不会有锁的竞争

3.4 偏锁

3.4.1 单线程竞争

当线程A第一次竞争到锁时，通过操作修改Mark Work中的偏向线程ID、偏向模式。
如果不存在其他线程竞争，那么特有偏向锁的线程将永远不需要进行同步。
当一段同步代码一直被同一个线程多次访问，由于只有一个线程那么该线程在后续访问时便会自动获得锁
Hotspot的作者经过研究发现，多数情况下：
多线程的情况下，锁不紧不存在多线程的竞争，还存在锁由同一个线程多次获得的情况，偏向锁就是这种情况下出现的，它的出现是为了解决只有在一个线程执行同步时提高性能。
备注：偏向锁会偏向第一个访问锁的线程，如果在接下来的运行过程中，改锁没有被其他的线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。也即在偏向锁在资源没有竞争情况下消除了同步语句，懒的连cas操作都不做了，直接提高程序的性能。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.4.2 细化案例Account对象举例说明

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.4.3 偏向锁JVM命令

打印出java虚拟机初始化时所带的参数
java -XX:+PrintFlagsInitial |grep BiasedLock*
在这里插入图片描述
注意：偏向锁有延时，如果要用偏向锁，需要自己停滞4秒以上才能启动。若要看到效果修改4秒的延时为0秒
重要参数说明
在这里插入图片描述

3.4.4 无效果的code演示

package com.atguigu.springcloud.util.locktest;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class SynchronizedUpdemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        synchronized (o){
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
            /**
             * 上面的输出：15行01111000尾号是000，说明演示没有效果
             *
             * java.lang.Object object internals:
             *  OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
             *       0     4        (object header)                           78 f7 6f 5e (01111000 11110111 01101111 01011110) (1584396152)
             *       4     4        (object header)                           0f 00 00 00 (00001111 00000000 00000000 00000000) (15)
             *       8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
             *      12     4        (loss due to the next object alignment)
             * Instance size: 16 bytes
             * Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
             */
        }

    }
    private static void noLock(){

    }
}

3.4.5 原因是因为参数系统默认开启

在这里插入图片描述

3.4.6 关闭延时参数，启用该功能

在这里插入图片描述

3.4.7 在idea的这里添加此参数

Run->Eidt Configuartions->Modify options->add VM options
在这里插入图片描述
第二种方法看到效果是让程序延时超过4秒以上

package com.atguigu.springcloud.util.locktest;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class SynchronizedUpdemo {
    public static void main(String[] args) {
    	//故意暂定超过4秒以后也有同样的效果
        try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);}catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
        Object o = new Object();
        synchronized (o){
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        }
    }
    private static void noLock(){
    }
}

查看当前线程指针 第一种情况没有跟线程相关联
在这里插入图片描述
第二种情况跟线程相关
在这里插入图片描述

3.4.8 开始有第二个线程竞争资源

偏向锁的撤销：
1.当有另外线程逐步来竞争锁的时候，就不能再使用偏向锁的，要升级为轻量级锁
2.竞争线程尝试CAS更新为对象头失败，会等到全局安全点（此时不会执行任何代码）插销偏向锁。
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.4.9 总体步骤流程图

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.5 轻锁

3.5.1 主要作用

有线程来参与锁的竞争，但是获取锁的冲突时间极短
本质就是自旋锁CAS

3.5.2 64位标记图

轻量锁最后两位是00
在这里插入图片描述

3.5.3 轻量级锁的获取

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.5.4 code

如果关闭偏向锁，就可以直接进入轻量级锁
-XX:-UseBiasedLocking
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

package com.atguigu.springcloud.util.interrup;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class SynchronizedUpDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        new Thread(()->{
            synchronized (o){
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
            }
        },"t1").start();
        /**
         * 输出结果：
         * java.lang.Object object internals:
         *  OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
         *       0     4        (object header)                           70 f1 8f 7b (01110000 11110001 10001111 01111011) (2073031024)
         *       4     4        (object header)                           92 00 00 00 (10010010 00000000 00000000 00000000) (146)
         *       8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         *      12     4        (loss due to the next object alignment)
         * Instance size: 16 bytes
         * Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
         */
    }
}

3.5.5 步骤流程图

在这里插入图片描述

3.5.6 自旋达到一定次数和程度

java6之前默认启用，默认情况下自旋的次数是10次
可以用-XX:PreBlockSpin=10来修改
或者自旋线程数超过cpu核数一半
java6之后自适应自旋锁的大致原理：
线程如果自旋成功了，那么下次自旋的最大次数会增加，因为JVM认为认为既然上次成功了，那么这一次也很大概率会成功。反之如果很少会自旋成功，那么下次会减少自旋的次数甚至不自旋，避免cpu空转。
自适应意味着自旋的次数不是固定不变的而是根据同一个锁上一次自旋的时间。拥有锁线程的状态来决定。

3.5.7 轻量锁与偏向锁的区别和不同

争夺轻量级锁失败时，自旋尝试抢占锁。轻量级锁每次退出同步块都要释放锁，而偏向锁是在竞争发生时才释放锁

3.6 重锁

有大量的线程参与锁的竞争，冲突性很高
锁标志位
在这里插入图片描述

Code
在这里插入图片描述

3.7 总结

3.7.1 锁升级发生后，hashcode去哪了？

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
code01:当一个对象已经计算过identity hash code，它就无法进入偏向锁状态，跳过偏向锁，直接升级轻量级锁
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
code02：偏向锁过程中遇到一致性哈希计算请求，立马撤销偏向模式，膨胀为重量级锁
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
各种锁优缺点、synchronized锁升级和实现原理
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

4 JIT编译器对锁的优化

JIT:Just In Time Compiler,一般翻译为即时编译器
锁消除

package com.atguigu.springcloud.util.interrup;

/**
 * 从JTI角度看相当于无视它，synchronized(o)不存在了
 * 这个锁对象并没有被公用扩散到其他线程使用
 * 极端的说就是根被没有加这个锁对象的底层机器码，消除了锁的使用
 */
public class SynchronizedUpDemo2 {
    static Object objectLock = new Object();
    public void m1(){
        /*synchronized (objectLock){
            System.out.println("-----hello LockClear");
        }*/
        //锁消除问题，JIT编译器会无视它，synchronized(0),每次new出来的就不存在了。非正常
        Object o  = new Object();
        synchronized (o){
            System.out.println("------hello LockClea"+"\t"+o.hashCode()+"\t"+objectLock.hashCode());
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedUpDemo2 synchronizedUpDemo2 = new SynchronizedUpDemo2();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
               synchronizedUpDemo2.m1();
            },String.valueOf(i)).start();

        }
    }
}

结果：

------hello LockClea	2107224694	1935557557
------hello LockClea	900066040	1935557557
------hello LockClea	734582481	1935557557
------hello LockClea	1480952033	1935557557
------hello LockClea	835429761	1935557557
------hello LockClea	1830684002	1935557557
------hello LockClea	1510953719	1935557557
------hello LockClea	1420843554	1935557557
------hello LockClea	1810245172	1935557557
------hello LockClea	1736235642	1935557557

锁粗化

package com.atguigu.springcloud.util.interrup;

/**
 * 锁粗化
 * 假如方法中首位相接，前后相邻的都是同一个锁对象，那JIT编译器就会把这几个synchronized块合并成一个大块，
 * 加粗加大范围，一次申请锁使用即可，避免此次的申请和释放锁，提升了性能
 */
public class SynchronizedUpDemo2 {
    static Object objectLock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
            synchronized (objectLock){
                System.out.println(1111);
            }
            synchronized (objectLock){
                System.out.println(2222);
                
            }
            synchronized (objectLock){
                System.out.println(3333);
            }
            synchronized (objectLock){
                System.out.println(4444);
            }
            synchronized (objectLock){
                System.out.println(5555);
            }
            //相当于这样
            synchronized (objectLock){
                System.out.println(1111);
                System.out.println(2222);
                System.out.println(3333);
                System.out.println(5555);
            }
        },"t1").start();
    }
}

小总结：
没有锁：自由自在
偏向锁：唯我独尊
轻量锁：楚汉争霸
重量锁：群雄逐鹿

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