前言
我相信,很多人一说到Java中的锁,就会想到Synchronizeed关键字,Synchronized关键字是对象锁,可以加在方法上,可以放在代码块上等等用法。还有你可能会想到重量级锁、非公平锁、悲观索等等内容。今天从它的各个名称入手,我们来分析它的一些偏原理方面的内容。
各个名称介绍
名称一:悲观锁
说起人的悲观,那肯定是对于某一方面很悲观,比如我觉得我的Java基础很不好,找不到工作。我觉得我今天会倒霉……等等。那Java中的悲观是对于哪一方面?当然是共享变量或代码块。悲观锁认为,这个共享变量一定会发生争抢,所以每次使用的时候,我都要先对共享变量加锁,一直到我使用完成之后,才释放锁别人用。
说完了悲观锁,那必须得说说乐观锁,同样的,乐观锁认为,这个共享变量或代码块不会轻易的产生并发冲突,即便产生了冲突,我也只需要等一会就可以操作这个共享变量或代码块。典型的例子就是CAS(CompareAndSet)操作。
名称二: 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
在JDK 6 以前,并没有对Synchronized做优化,其背后一直是依赖着操作系统底层的一些命令实现。因此称其为重量级锁。在JDK 6 之后,Synchronized被优化了,之后他的性能其实不必Lock低。
名称三:非公平锁
首先,我们来看下什么是公平锁和非公平锁,公平锁指的是按照线程请求的顺序,来分配锁;而非公平锁指的是不完全按照请求的顺序,在一定情况下,可以允许插队。但需要注意这里的非公平并不是指完全的随机,不是说线程可以任意插队,而是仅仅“在合适的时机”插队。
那么什么时候是合适的时机呢?假设当前线程在请求获取锁的时候,恰巧前一个持有锁的线程释放了这把锁,那么当前申请锁的线程就可以不顾已经等待的线程而选择立刻插队。但是如果当前线程请求的时候,前一个线程并没有在那一时刻释放锁,那么当前线程还是一样会进入等待队列。
为了能够更好的理解公平锁和非公平锁,我们举一个生活中的例子,假设我们还在学校读书,去食堂排队买饭,我排在队列的第二个,我前面还有一位同学,但此时我脑子里想的不是午饭,而是上午的一道数学题并陷入深思,所以当前面的同学打完饭之后轮到我时我走神了,并也没注意到现在轮到我了,此时前面的同学突然又回来插队,说“不好意思,阿姨麻烦给我加个鸡腿”,像这样的行为就可以类比我们的公平锁和非公平锁。
看到这里,你可能不解,为什么要设置非公平策略呢,而且非公平还是 ReentrantLock的默认策略,如果我们不加以设置的话默认就是非公平的,难道我的这些排队的时间都白白浪费了吗,为什么别人比我有优先权呢?毕竟公平是一种很好的行为,而非公平是一种不好的行为。
让我们考虑一种情况,假设线程 A 持有一把锁,线程 B 请求这把锁,由于线程 A 已经持有这把锁了,所以线程 B 会陷入等待,在等待的时候线程 B 会被挂起,也就是进入阻塞状态,那么当线程 A 释放锁的时候,本该轮到线程 B 苏醒获取锁,但如果此时突然有一个线程 C 插队请求这把锁,那么根据非公平的策略,会把这把锁给线程 C,这是因为唤醒线程 B 是需要很大开销的,很有可能在唤醒之前,线程 C 已经拿到了这把锁并且执行完任务释放了这把锁。相比于等待唤醒线程 B 的漫长过程,插队的行为会让线程 C 本身跳过陷入阻塞的过程,如果在锁代码中执行的内容不多的话,线程 C 就可以很快完成任务,并且在线程 B 被完全唤醒之前,就把这个锁交出去,这样是一个双赢的局面,对于线程 C 而言,不需要等待提高了它的效率,而对于线程 B 而言,它获得锁的时间并没有推迟,因为等它被唤醒的时候,线程 C 早就释放锁了,因为线程 C 的执行速度相比于线程 B 的唤醒速度,是很快的,所以 Java 设计者设计非公平锁,是为了提高整体的运行效率。
对比公平和非公平的优缺点
我们接下来对比公平和非公平的优缺点,如表格所示。
公平锁的优点在于各个线程公平平等,每个线程等待一段时间后,都有执行的机会,而它的缺点就在于整体执行速度更慢,吞吐量更小,相反非公平锁的优势就在于整体执行速度更快,吞吐量更大,但同时也可能产生线程饥饿问题,也就是说如果一直有线程插队,那么在等待队列中的线程可能长时间得不到运行。
名称四:可重入锁
当某个线程A已经持有了一个锁,当线程B尝试进入被这个锁保护的代码段的时候.就会被阻塞.
可重入 就是说某个线程已经获得某个锁,可以再次获取锁而不会出现死锁。
而锁的操作粒度是”线程”,而不是调用.。同一个线程再次进入同步代码的时候.可以使用自己已经获取到的锁,这就是可重入锁。
名称五:对象锁
Synchronized又称之为对象锁,因为其是依赖于每个对象都关联的一个Monitor对象。
大概功能与下图类似。
EntryList中存放着阻塞等待Monitor的线程。 (BLOCKED状态)
WaitSet中存放着获取过Monitor但是不满足执行条件的线程 。(WAITING状态)(wait方法)
BLOCKER状态的线程会在Owner线程释放锁时唤醒。
WAITING线程会在Owner线程调用notify或notifyAll时唤醒,但是唤醒后并不意味着立刻获取锁,会进入EntryList重新竞争。
这下你该知道,为什么有些方法(wait、notify)放在了Object类中了吧
如何看到synchronized 背后的 monitor 锁。
获取和释放 monitor 锁的时机
我们都知道,最简单的同步方式就是利用 synchronized 关键字来修饰代码块或者修饰一个方法,那么这部分被保护的代码,在同一时刻就最多只有一个线程可以运行,而 synchronized 的背后正是利用 monitor 锁实现的。所以首先我们来看下获取和释放 monitor 锁的时机,每个 Java 对象都可以用作一个实现同步的锁,这个锁也被称为内置锁或 monitor 锁,获得 monitor 锁的唯一途径就是进入由这个锁保护的同步代码块或同步方法,线程在进入被 synchronized 保护的代码块之前,会自动获取锁,并且无论是正常路径退出,还是通过抛出异常退出,在退出的时候都会自动释放锁。
我们首先来看一个 synchronized 修饰方法的代码的例子:
public synchronized void method() {
method body
}
我们看到 method() 方法是被 synchronized 修饰的,为了方便理解其背后的原理,我们把上面这段代码改写为下面这种等价形式的伪代码。
public void method() {
this.intrinsicLock.lock();
try{
method body
}
finally {
this.intrinsicLock.unlock();
}
}
在这种写法中,进入 method 方法后,立刻添加内置锁,并且用 try 代码块把方法保护起来,最后用 finally 释放这把锁,这里的 intrinsicLock 就是 monitor 锁。经过这样的伪代码展开之后,相信你对 synchronized 的理解就更加清晰了。
用 javap 命令查看反汇编的结果
JVM 实现 synchronized 方法和 synchronized 代码块的细节是不一样的,下面我们就分别来看一下两者的实现。
同步代码块
首先我们来看下同步代码块的实现,如代码所示。
public class SynTest {
public void synBlock() {
synchronized (this) {
System.out.println("lagou");
}
}
}
在 SynTest 类中的 synBlock 方法,包含一个同步代码块,synchronized 代码块中有一行代码打印了 lagou 字符串,下面我们来通过命令看下 synchronized 关键字到底做了什么事情:首先用 cd 命令切换到 SynTest.java 类所在的路径,然后执行 javac SynTest.java,于是就会产生一个名为 SynTest.class 的字节码文件,然后我们执行 javap -verbose SynTest.class,就可以看到对应的反汇编内容。
关键信息如下:
public void synBlock();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter
4: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: ldc #3 // String lagou
9: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
12: aload_1
13: monitorexit
14: goto 22
17: astore_2
18: aload_1
19: monitorexit
20: aload_2
21: athrow
22: return
从里面可以看出,synchronized 代码块实际上多了 monitorenter 和 monitorexit 指令,标红的第3、13、19行指令分别对应的是 monitorenter 和 monitorexit。这里有一个 monitorenter,却有两个 monitorexit 指令的原因是,JVM 要保证每个 monitorenter 必须有与之对应的 monitorexit,monitorenter 指令被插入到同步代码块的开始位置,而 monitorexit 需要插入到方法正常结束处和异常处两个地方,这样就可以保证抛异常的情况下也能释放锁
可以把执行 monitorenter 理解为加锁,执行 monitorexit 理解为释放锁,每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为 0,我们来具体看一下 monitorenter 和 monitorexit 的含义:
monitorenter
执行 monitorenter 的线程尝试获得 monitor 的所有权,会发生以下这三种情况之一:
a. 如果该 monitor 的计数为 0,则线程获得该 monitor 并将其计数设置为 1。然后,该线程就是这个 monitor 的所有者。
b. 如果线程已经拥有了这个 monitor ,则它将重新进入,并且累加计数。
c. 如果其他线程已经拥有了这个 monitor,那个这个线程就会被阻塞,直到这个 monitor 的计数变成为 0,代表这个 monitor 已经被释放了,于是当前这个线程就会再次尝试获取这个 monitor。
monitorexit
monitorexit 的作用是将 monitor 的计数器减 1,直到减为 0 为止。代表这个 monitor 已经被释放了,已经没有任何线程拥有它了,也就代表着解锁,所以,其他正在等待这个 monitor 的线程,此时便可以再次尝试获取这个 monitor 的所有权。
同步方法
从上面可以看出,同步代码块是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的。而对于 synchronized 方法,并不是依靠 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的,被 javap 反汇编后可以看到,synchronized 方法和普通方法大部分是一样的,不同在于,这个方法会有一个叫作 ACC_SYNCHRONIZED 的 flag 修饰符,来表明它是同步方法。
同步方法的代码如下所示。
public synchronized void synMethod() {
}
对应的反汇编指令如下所示。
public synchronized void synMethod();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
stack=0, locals=1, args_size=1
0: return
LineNumberTable:
line 16: 0
总结
- Synchronized关键字是一个种锁,其有很多名字,例如重量级锁、悲观锁、可重入锁、、非公平、对象锁等等。
- Synchronized其实是被优化过的对象,存在着从 无锁-> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁的升级过程,只有升级到了重量级锁,才会去依赖Monitor对象。关于锁是否是只能升级不能降级,网上有很多说法,这里我认为是可以降级的,大家感兴趣可以去搜一下。
- Synchronized关键字底层实现是依赖于每一个对象独有的Monitor对象,Monitor对象是采用C++编写的一个对象,它直接调用操作系统的指令,
monitorenter
和monitorexit
指令,其中monitorenter
指令指向同步代码块的开始位置,monitorexit
指令则指明同步代码块的结束位置。 - 我们想看到Java在何处调用该指令 可以采用
javap
命令对编译后的 .class文件执行。