synchronized原理(轻量级,锁膨胀,自旋,偏向锁)

news2024/11/18 9:41:27

轻量级锁

轻量级锁的使用场景:如果一个对象虽然有多线程要加锁,但加锁的时间是错开的(也就是没有竞争),那么可以使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的,即语法仍然是 synchronized

轻量级锁加锁过程:

  • 创建锁记录(Lock Record)对象,每个线程都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。
  • 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。
  • 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。
  • 如果 cas 失败,有两种情况:
    • 如果是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,那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数。
  • 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。

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它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。

  • 当 Thread-1 进行轻量级加锁时,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 BLOCKED。在这里插入图片描述
  • 当 Thread-0 退出同步块解锁时,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。

自旋优化

重量级锁竞争的时候,还可以使用自旋来进行优化,如果当前线程自旋成功(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。

自旋重试成功的情况
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

  • 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。
  • 在 Java 6 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,总之,比较智能。
  • Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能。

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时(就自己这个线程),每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 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

例:

 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
        }
    }

在这里插入图片描述
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