Java 中的锁机制以及锁(Synchronization)升级过程

chan 作者
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说说线程安全问题

线程安全是多线程领域的问题,线程安全可以简单理解为一个方法或者一个实例可以在多线程环境中使用而不会出现问题。

在 Java 多线程编程当中,提供了多种实现 Java 线程安全的方式:

  • 最简单的方式,使用 Synchronization 关键字
  • 使用 java.util.concurrent.atomic 包中的原子类,例如 AtomicInteger
  • 使用 java.util.concurrent.locks 包中的锁
  • 使用线程安全的集合 ConcurrentHashMap
  • 使用 volatile 关键字,保证变量可见性(直接从内存读,而不是从线程 cache 读)

Synchronize

JDK1. 6以前,synchronized 是一把重量级锁(OS级别),之后引入了锁升级的过程做了优化,同步代码块是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的,同步方法(在这看不出来需要看 JVM 底层实现)依靠的是方法修饰符上的 ACC_SYNCHRONIZED 实现。

CAS 乐观锁 / 自旋锁

CAS 是项乐观锁技术,当多个线程尝试使用 CAS 同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。

CAS 会导致 ABA 问题。

假设第一条线程获取到值 A,并进行修改,期间第二条线程也获取到值 A,并且成功修改为 B,这时第三条线程也获得了值 B,并成功修改为 A。这样,当第一条线程修改完毕并与原值进行对比的时候也是相等的,但其实中间也被修改了两次。

部分乐观锁的实现是通过版本号(version)的方式来解决 ABA 问题,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,都会带上一个版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本号执行 +1 操作,否则就执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加,所以不会出现 ABA 问题,因为版本号只会增加不会减少。

对象内存布局

对象在内存中布局如下:
8字节 MarkWord
4字节 类型指针
N字节 成员变量
N字节 对齐填充(JVM虚拟机 64位,对象必须 8 整数,不够则在这里补齐)

com.zqskate.blogs.web.ui.service.test.JolTest$User 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)                           43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
     12     4                int User.age                                  0
     16     4   java.lang.String User.name                                 null
     20     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

MarkWord 中记录这对象状态:无锁状态、偏向锁、轻量锁、重量锁、GC标记

锁升级过程

一开始是无锁状态,当有线程使用的时候会升级成偏向锁,这时候是单线程状态,一旦有第二个线程竞争锁,将会升级为轻量级锁,其余线程会自旋等待,当自旋到一定次数,或者竞争非常激烈的情况下会升级为重量级锁,这时其余线程进入等待队列,等待调用。

偏向锁可以默认开启的(匿名偏向)通过指令: -XX:-UseBiasedLocking = true 来设置

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