Java并发编程入门学习之主流锁

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Java并发编程入门学习之主流锁

Java锁学习

Java提供了种类丰富的锁,每种锁因其特性的不同,在适当的场景下能够展现出非常高的效率。本文旨在对锁相关源码(本文中的源码来自JDK 8和Netty 3.10.6)、使用场景进行举例,为读者介绍主流锁的知识点,以及不同的锁的适用场景。

Java中往往是按照是否含有某一特性来定义锁,我们通过特性将锁进行分组归类,再使用对比的方式进行介绍,帮助大家更快捷的理解相关知识。下面给出本文内容的总体分类目录:

Java并发编程入门学习之主流锁

乐观锁 VS 悲观锁

乐观锁与悲观锁是一种广义上的概念,体现了看待线程同步的不同角度。在Java和数据库中都有此概念对应的实际应用。

先说概念。对于同一个数据的并发操作,悲观锁认为自己在使用数据的时候一定有别的线程来修改数据,因此在获取数据的时候会先加锁,确保数据不会被别的线程修改。Java中,synchronized 关键字和 Lock 的实现类都是悲观锁。

而乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程修改数据,所以不会添加锁,只是在更新数据的时候去判断之前有没有别的线程更新了这个数据。如果这个数据没有被更新,当前线程将自己修改的数据成功写入。如果数据已经被其他线程更新,则根据不同的实现方式执行不同的操作(例如报错或者自动重试)。

乐观锁在Java中是通过使用无锁编程来实现,最常采用的是CAS 算法,Java 原子类中的递增操作就通过 CAS 自旋实现的。

Java并发编程入门学习之主流锁

根据从上面的概念描述我们可以发现:

  • 悲观锁适合写操作多的场景,先加锁可以保证写操作时数据正确。
  • 乐观锁适合读操作多的场景,不加锁的特点能够使其读操作的性能大幅提升。

悲观锁的实现我们在之前的文章中重点介绍过,这里简单提及一下。

// ------------------------- 悲观锁的调用方式 -------------------------
// synchronized
public synchronized void testMethod() {
    // 操作同步资源
}
// ReentrantLock
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); // 需要保证多个线程使用的是同一个锁
public void modifyPublicResources() {
    lock.lock();
    // 操作同步资源
    lock.unlock();
}

乐观锁的主要实现方式是 CAS 算法,java.util.concurrent.* 包下的类基于该算法实现的,因此我们学习 CAS 算法便是通过该包下的类进行演示讲解。

// ------------------------- 乐观锁的调用方式 -------------------------
private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  // 需要保证多个线程使用的是同一个AtomicInteger
atomicInteger.incrementAndGet(); //执行自增1

深入理解CAS

CAS 全称 Compare And Swap(比较与交换),是一种无锁算法。在不使用锁(没有线程被阻塞)的情况下实现多线程之间的变量同步。java.util.concurrent 包中的原子类就是通过CAS来实现了乐观锁。

CAS算法涉及到三个操作数:

  • 需要读写的内存值 V。
  • 进行比较的值 A。
  • 要写入的新值 B。

当且仅当 V 的值等于 A 时,CAS通过原子方式用新值B来更新V的值(“比较+更新”整体是一个原子操作),否则不会执行任何操作。一般情况下,“更新”是一个不断重试的操作。

用代码理解下什么是CAS:

public static void main(String[] args) {
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);

    // 期望的是5,后面改为 2020 , 所以结果为 true,2020
    System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5,2020));
    System.out.println(atomicInteger.get());

    // 期望的是2021,后面改为 2022 , 所以结果为 false,仍为原结果2020
    System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2021,2022));
    System.out.println(atomicInteger.get());
}

一句话:真实值和期望值相同,就修改成功,真实值和期望值不同,就修改失败!

我们通过研究 AtomicInteger 源码学习 CAS 底层原理,以 AtomicInteger 的 incrementAndGet 方法为例。

public final int incrementAndGet() {//当前值加1,并返回新值
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

//Unsafe类中的方法
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        // 获取工作内存中var2偏移地址的值
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));// 将工作内存中同一内存偏移量获取的值与主内存中的进行比较,如果一致则返回为ture,同时值var5 + var4,否则返回false,继续循环重试
    return var5;
}

整个“比较+更新”操作封装在 compareAndSwapInt()中,在 JNI 里是借助于一个 CPU 指令完成的,属于原子操作,可以保证多个线程都能够看到同一个变量的修改值。

在上述代码中的 unsafe 和 valueOffset 定义如下:

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
private volatile int value;

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception var1) {
        throw new Error(var1);
    }
}

根据定义我们可以看出各属性的作用:

  • unsafe: 获取并操作内存的数据。

    UnSafe 是 CAS 的核心类,由于 Java 方法无法直接访问底层系统,需要通过本地(native)方法来访问, UnSafe 相当于一个后门,基于该类可以直接操作特定内存的数据,Unsafe 类存在于 sun.misc 包中,其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存,因为 Java 中 CAS 操作的执行依赖于 Unsafe 类的方法。

    注意:Unsafe 类中的所有方法都是 Native 修饰的,也就是说 Unsafe 类中的方法都直接调用操作系统底层 资源执行相应任务

  • valueOffset: 存储 value 在内存中的偏移地址,Unsafe 根据内存偏移地址获取数据的。

  • value: 存储 AtomicInteger 的int值,该属性需要借助 volatile 关键字保证其在线程间是可见的。

CAS 本质

CAS 的全称为 Compare-And-Swap,它是一条CPU并发原语。

它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值,如果是则更改为新的值,这个过程是原子的。

CAS 并发原语体现在JAVA语言中就是 sun.misc.Unsafe 类中的各个方法。调用 UnSafe 类中的 CAS 方法, JVM 会帮我们实现出 CAS 汇编指令。这是一种完全依赖于硬件的功能,通过它实现了原子操作。再次强调,由于 CAS 是一种系统原语,原语属于操作系统用于范畴,是由若干条指令组成的,用于完成某个功能的一个过程,并且原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许被中断,也就是说CAS是一条CPU 的原子指令,不会造成所谓的数据不一致问题。

原子引用

CAS 算法存在一个问题,

CAS 算法实现一个重要前提:需要取出内存中某时刻的数据并在当下时刻比较并交换,那么在这个时间差内会导致数据的变化。这也就是 ABA 问题。

比如说一个线程 one 从内存位置V中取出A,这个时候另一个线程 two 也从内存中取出A,并且线程 two 进行了一些操作将值变成了B,然后线程 two 又将V位置的数据变成A,这时候线程 one 进行 CAS 操作发现内存中仍然是A,然后线程 one 操作成功。

尽管线程 one 的 CAS 操作成功,但是不代表这个过程就是没有问题的。

ABA 问题案例演示:

public class ABADemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(5);

        new Thread(()->{
            atomicReference.compareAndSet(5,20);
            System.out.println(atomicReference.get());
            atomicReference.compareAndSet(20,5);
            System.out.println(atomicReference.get());

        },"A").start();

        new Thread(()->{
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(5, 66));
            System.out.println(atomicReference.get());

        },"B").start();
    }
}

执行结果:

20
5
true
66

解决方案:

public class AtomicStampedReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) {

        AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(5,1);

        new Thread(()->{
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println("A1=>"+stamp);

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            atomicStampedReference.compareAndSet(5, 20,
                    atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println("A2=>"+atomicStampedReference.getStamp());
            System.out.println("A2 result=>"+atomicStampedReference.getReference());

            atomicStampedReference.compareAndSet(20, 5,
                    atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println("A3=>"+atomicStampedReference.getStamp());
            System.out.println("A3 result=>"+atomicStampedReference.getReference());
        },"A").start();

        new Thread(()->{
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println("B1=>"+stamp);

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 比较修改失败,版本号不一致
            System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(5, 66, stamp, stamp + 1));
            System.out.println("B2=>"+atomicStampedReference.getStamp());
            System.out.println("B2 result=>"+atomicStampedReference.getReference());

        },"B").start();
    }
}

执行结果为:

A1=>1
B1=>1
A2=>2
A2 result=>20
A3=>3
A3 result=>5
B2=>3
B2 result=>5

在上述修改方案中,需要注意 compareAndSet 方法,查看其具体定义如下:

public boolean compareAndSet(V var1, V var2, int var3, int var4) {
    AtomicStampedReference.Pair var5 = this.pair;
    return var1 == var5.reference && var3 == var5.stamp && (var2 == var5.reference && var4 == var5.stamp || this.casPair(var5, AtomicStampedReference.Pair.of(var2, var4)));
}

代码中 var1 == var5.reference 语句用的是双等号进行比较,我们声明的 AtomicStampedReference 对象类型为 Integer,Integer 类型是个复合数据类型, 当它们用双等号进行比较的时候,比较的是它们在内存中的存放地址,所以,除非是同一个 new 出来的对象,它们的比较后的结果为 true,否则比较后结果为 false。 在 Java 基础:Integer 源码分析 一文中提到,对于 Integer var = ? 在-128 至 127 范围内的赋值,Integer 对象是在 IntegerCache.cache 产生,会复用已有对象,这个区间内的 Integer 值可以直接使用进行判断。

如果上述代码中将数值改为大于 127 的某个值,执行结果会出现问题。

CAS的缺点

  1. ABA问题。CAS需要在操作值的时候检查内存值是否发生变化,没有发生变化才会更新内存值。但是如果内存值原来是A,后来变成了B,然后又变成了A,那么CAS进行检查时会发现值没有发生变化,但是实际上是有变化的。ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号,每次变量更新的时候都把版本号加一,这样变化过程就从“A-B-A”变成了“1A-2B-3A”。
    • JDK从1.5开始提供了 AtomicStampedReference 类来解决ABA问题,具体操作封装在compareAndSet()中。compareAndSet()首先检查当前引用和当前标志与预期引用和预期标志是否相等,如果都相等,则以原子方式将引用值和标志的值设置为给定的更新值。
  2. 循环时间长开销大。CAS操作如果长时间不成功,会导致其一直自旋,给CPU带来非常大的开销。
  3. 只能保证一个共享变量的原子操作。对一个共享变量执行操作时,CAS能够保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,CAS是无法保证操作的原子性的。
    • Java从1.5开始JDK提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性,可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

公平锁 VS 非公平锁

公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁,线程直接进入队列中排队,队列中的第一个线程才能获得锁。公平锁的优点是等待锁的线程不会饿死。缺点是整体吞吐效率相对非公平锁要低,等待队列中除第一个线程以外的所有线程都会阻塞,CPU唤醒阻塞线程的开销比非公平锁大。

非公平锁是多个线程加锁时直接尝试获取锁,获取不到才会到等待队列的队尾等待。但如果此时锁刚好可用,那么这个线程可以无需阻塞直接获取到锁,所以非公平锁有可能出现后申请锁的线程先获取锁的场景。非公平锁的优点是可以减少唤起线程的开销,整体的吞吐效率高,因为线程有几率不阻塞直接获得锁,CPU不必唤醒所有线程。缺点是处于等待队列中的线程可能会饿死,或者等很久才会获得锁。

直接用语言描述可能有点抽象,这里作者用从别处看到的一个例子来讲述一下公平锁和非公平锁。

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如上图所示,假设有一口水井,有管理员看守,管理员有一把锁,只有拿到锁的人才能够打水,打完水要把锁还给管理员。每个过来打水的人都要管理员的允许并拿到锁之后才能去打水,如果前面有人正在打水,那么这个想要打水的人就必须排队。管理员会查看下一个要去打水的人是不是队伍里排最前面的人,如果是的话,才会给你锁让你去打水;如果你不是排第一的人,就必须去队尾排队,这就是公平锁。

但是对于非公平锁,管理员对打水的人没有要求。即使等待队伍里有排队等待的人,但如果在上一个人刚打完水把锁还给管理员而且管理员还没有允许等待队伍里下一个人去打水时,刚好来了一个插队的人,这个插队的人是可以直接从管理员那里拿到锁去打水,不需要排队,原本排队等待的人只能继续等待。如下图所示:

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并发包中的 ReentrantLock 的创建可以指定构造函数的 boolean 类型来得到公平锁或者非公平锁,默认是非公平锁!

代码案例:

public class ReentrantLockDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Mycache2 mycache = new Mycache2();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(()->{
                mycache.put();
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(()->{
                mycache.get();
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}
class Mycache2{
    private volatile Map<String,Object> map = new HashMap<>();
//    private Lock lock = new ReentrantLock();  //非公平锁
    private Lock lock = new ReentrantLock(true);    //公平锁

    public void put(){
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"写入操作");
            map.put("name","hresh");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"写入成功");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void get(){
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"读取操作");
            map.get("name");
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"读取成功");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

查看 ReentrantLock 源码定义如下:

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根据代码可知,ReentrantLock 有两个构造方法,带有参数的构造方法可以指定创建公平锁或非公平锁。

下面我们来看一下公平锁与非公平锁的加锁方法的源码:

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通过上图中的源代码对比,我们可以明显的看出公平锁与非公平锁的lock()方法唯一的区别就在于公平锁在获取同步状态时多了一个限制条件:hasQueuedPredecessors()

    public final boolean hasQueuedPredecessors() {
        AbstractQueuedSynchronizer.Node var1 = this.tail;
        AbstractQueuedSynchronizer.Node var2 = this.head;
        AbstractQueuedSynchronizer.Node var3;
        return var2 != var1 && ((var3 = var2.next) == null || var3.thread != Thread.currentThread());
    }

再进入 hasQueuedPredecessors(),可以看到该方法主要做一件事情:主要是判断当前线程是否位于同步队列中的第一个。如果是则返回true,否则返回false。

综上,公平锁就是通过同步队列来实现多个线程按照申请锁的顺序来获取锁,从而实现公平的特性。非公平锁加锁时不考虑排队等待问题,直接尝试获取锁,所以存在后申请却先获得锁的情况。

对于 ReentrantLock 而言,通过构造函数指定该锁是否是公平锁,默认是非公平锁。非公平锁的优点在于吞吐量比公平锁大。

对于 Synchronized 而言,也是一种非公平锁。

可重入锁 VS 非可重入锁

可重入锁又名递归锁,是指在同一个线程在外层方法获取锁之后,再进入该线程的内层方法会自动获取锁(前提锁对象得是同一个对象或者class),不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。Java 中 ReentrantLock 和synchronized 都是可重入锁,可重入锁的一个优点是可一定程度避免死锁。下面用示例代码来进行分析:

public class SynchronizedDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Phone phone = new Phone();

        new Thread(()->{
            phone.sendSms();
        },"A").start();

        new Thread(()->{
            phone.sendSms();
        },"B").start();
    }
}

class Phone{
    // Synchronized 锁的对象是方法的调用者,即new出来的对象
    //以下两个方法共用同一把锁
    public synchronized void sendSms(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"发短信");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        call();
    }
    public synchronized void call(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"打电话");
    }
}

在上面的代码中,Phone 类中的两个方法都是被内置锁 synchronized 修饰的,sendSms()方法中调用 call()方法。因为内置锁是可重入的,所以同一个线程在调用 call()时可以直接获得当前对象的锁,进入 call()进行操作。这点可以从结果中看出来。

如果是一个不可重入锁,那么当前线程在调用 call()之前需要将执行 sendSms()时获取当前对象的锁释放掉,实际上该对象锁已被当前线程所持有,且无法释放。所以此时会出现死锁。

之前我们说过 ReentrantLock 和 synchronized 都是重入锁, 那么我们设计一款非可重入锁。

public class NonReentrantLock {

    private boolean isLocked = false;

    public synchronized void lock() throws InterruptedException {
        while (isLocked){
            wait();
        }
        isLocked = true;
    }

    public synchronized void unLock(){
        isLocked = false;
        notify();
    }
}

上述定义的为非可重入锁,具体使用如下所示:

public class NonReentrantLockDemo {
    static NonReentrantLock lock = new NonReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(()->{
            try {
                sendSms();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"A").start();
    }

    public static void sendSms() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"发短信");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        call();
        lock.unLock();
    }

    public static void call() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"打电话");
        lock.unLock();
    }
}

执行代码可以发现,控制台仅输出“发短信”,之后遍进入阻塞状态

自旋锁 VS 适应性自旋锁

在介绍自旋锁前,我们需要介绍一些前提知识来帮助大家明白自旋锁的概念。

阻塞或唤醒一个 Java 线程需要操作系统切换 CPU 状态来完成,这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单,状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。

在许多场景中,同步资源的锁定时间很短,为了这一小段时间去切换线程,线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。如果物理机器有多个处理器,能够让两个或以上的线程同时并行执行,我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间,看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。

而为了让当前线程“稍等一下”,我们需让当前线程进行自旋,如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁,那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源,从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。
Java并发编程入门学习之主流锁

自旋锁本身是有缺点的,它不能代替阻塞。自旋等待虽然避免了线程切换的开销,但它要占用处理器时间。如果锁被占用的时间很短,自旋等待的效果就会非常好。反之,如果锁被占用的时间很长,那么自旋的线程只会白浪费处理器资源。所以,自旋等待的时间必须要有一定的限度,如果自旋超过了限定次数(默认是10次,可以使用-XX:PreBlockSpin来更改)没有成功获得锁,就应当挂起线程。

自旋锁的实现原理同样也是CAS,AtomicInteger 中调用 unsafe 进行自增操作的源码中的 do-while 循环就是一个自旋操作,如果修改数值失败则通过循环来执行自旋,直至修改成功。

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

自旋锁测试案例:

public class SpinLockDemo {
    AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();

    // 解锁
    public void lock(){
        Thread thread = Thread.currentThread();
        System.out.println(thread.getName()+"==>lock");

        //自旋
        while (!(atomicReference.compareAndSet(null,thread))){

        }
    }

    // 加锁
    public void unlock(){
        Thread thread = Thread.currentThread();

        System.out.println(thread.getName()+"==>unlock");
        atomicReference.compareAndSet(thread,null);
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpinLockDemo spinLock = new SpinLockDemo();

        new Thread(()->{
            spinLock.lock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            spinLock.unlock();
        },"A").start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 线程B获取同步资源,发现锁被占用,则自旋等待锁释放
        new Thread(()->{
            spinLock.lock();
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            spinLock.unlock();
        },"B").start();
    }
}

上述自定义的自旋锁,与 ReentrantLock 锁的最大区别在于 lock() 方法,我们来查看非公平锁的加锁方式。

final void lock() {
    if (this.compareAndSetState(0, 1)) {
        this.setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    } else {
        this.acquire(1);
    }

}
public final void acquire(int var1) {
    if (!this.tryAcquire(var1) && this.acquireQueued(this.addWaiter(AbstractQueuedSynchronizer.Node.EXCLUSIVE), var1)) {
        selfInterrupt();
    }

}

可以看到非公平锁锁住同步资源失败后,线程将会进入阻塞状态。

自旋锁在 JDK1.4.2中引入,使用-XX:+UseSpinning来开启。JDK 6中变为默认开启,并且引入了自适应的自旋锁(适应性自旋锁)。

自适应意味着自旋的时间(次数)不再固定,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上,自旋等待刚刚成功获得过锁,并且持有锁的线程正在运行中,那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功,进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁,自旋很少成功获得过,那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程,直接阻塞线程,避免浪费处理器资源。

在自旋锁中另有三种常见的锁形式:TicketLockCLHlockMCSlock,感兴趣的同学可以查看该文章

无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁

这四种锁是指锁的状态,专门针对 Synchronized 的。 关于 Synchronized 的深入讲解推荐阅读:深入理解Java并发之synchronized实现原理

锁主要存在四种状态,依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态,他们会随着竞争的激烈而逐渐升级。注意锁可以升级不可降级,这种策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。

深入理解Java并发之synchronized实现原理一文中,给出在 32位JVM下,四种锁状态对应的的Mark Word内容:

Java并发编程入门学习之主流锁

然后再分别讲解四种锁状态的思路以及特点:

无锁

无锁没有对资源进行锁定,所有的线程都能访问并修改同一个资源,但同时只有一个线程能修改成功。

无锁的特点就是修改操作在循环内进行,线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出,否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值,必定会有一个线程能修改成功,而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁,但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

偏向锁

偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问,那么该线程会自动获取锁,降低获取锁的代价。

在大多数情况下,锁总是由同一线程多次获得,不存在多线程竞争,所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时,会在 Mark Word 里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁,而是检测 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径,因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令,而偏向锁只需要在置换 ThreadID 的时候依赖一次CAS原子指令即可。

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁,线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有字节码正在执行),它会首先暂停拥有偏向锁的线程,判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁(标志位为“01”)或轻量级锁(标志位为“00”)的状态。

偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁:-XX:-UseBiasedLocking=false,关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

是指当锁是偏向锁的时候,被另外的线程所访问,偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁,不会阻塞,从而提高性能。

在代码进入同步块的时候,如果同步对象锁状态为无锁状态(锁标志位为“01”状态,是否为偏向锁为“0”),虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间,用于存储锁对象目前的 Mark Word 的拷贝,然后拷贝对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中。

拷贝成功后,虚拟机将使用 CAS 操作尝试将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针,并将 Lock Record 里的 owner 指针指向对象的 Mark Word。

如果这个更新动作成功了,那么这个线程就拥有了该对象的锁,并且对象 Mark Word 的锁标志位设置为“00”,表示此对象处于轻量级锁定状态。

如果轻量级锁的更新操作失败了,虚拟机首先会检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧,如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁,那就可以直接进入同步块继续执行,否则说明多个线程竞争锁。

若当前只有一个等待线程,则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数,或者一个线程在持有锁,一个在自旋,又有第三个来访时,轻量级锁升级为重量级锁。

重量级锁

升级为重量级锁时,锁标志的状态值变为“10”,此时 Mark Word 中存储的是指向重量级锁的指针,此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。

整体的锁状态升级流程如下:

Java并发编程入门学习之主流锁

综上,偏向锁通过对比 Mark Word 解决加锁问题,避免执行 CAS 操作。而轻量级锁是通过用 CAS 操作和自旋来解决加锁问题,避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

独享锁 VS 共享锁

独享锁和共享锁同样是一种概念。

排他锁,又叫做独享锁。顾名思义就是指该锁一次只能被一个线程所持有。如果线程 T 对数据 A 加上排它锁后,则其他线程不能再对 A 加任何类型的锁。获得排它锁的线程即能读数据又能修改数据。JDK 中的 synchronized 和 JUC 中 Lock 的实现类就是互斥锁。

共享锁是指该锁可被多个线程所持有。如果线程 T 对数据 A 加上共享锁后,则其他线程只能对 A 再加共享锁,不能加排它锁。获得共享锁的线程只能读数据,不能修改数据。

独享锁与共享锁也是通过 AQS 来实现的,通过实现不同的方法,来实现独享或者共享。

通过上面的内容讲解,我们已经了解到 ReentrantLock 是一个高效的锁,它既能用作公平锁,又能用作非公平锁,而且还是独享锁。关于共享锁可以通过 ReentrantReadWriteLock 来学习。

下图为 ReentrantReadWriteLock 的部分源码:

Java并发编程入门学习之主流锁

我们看到 ReentrantReadWriteLock 有两把锁:ReadLock 和 WriteLock,由词知意,一个读锁一个写锁,合称“读写锁”。再进一步观察可以发现 ReadLock 和 WriteLock 是靠内部类 Sync 实现的锁。Sync 是 AQS 的一个子类,这种结构在 CountDownLatch、ReentrantLock、Semaphore 里面也都存在。

在 ReentrantReadWriteLock 里面,读锁和写锁的锁主体都是 Sync,但读锁和写锁的加锁方式不一样。读锁是共享锁,写锁是独享锁。读锁的共享锁可保证并发读非常高效,而读写、写读、写写的过程互斥,因为读锁和写锁是分离的。所以 ReentrantReadWriteLock 的并发性相比一般的互斥锁有了很大提升。

那读锁和写锁的具体加锁方式有什么区别呢?在了解源码之前我们需要回顾一下其他知识。 在最开始提及AQS的时候我们也提到了state字段(int类型,32位),该字段用来描述有多少线程获持有锁。

在独享锁中这个值通常是0或者1(如果是重入锁的话state值就是重入的次数),在共享锁中state就是持有锁的数量。但是在ReentrantReadWriteLock中有读、写两把锁,所以需要在一个整型变量state上分别描述读锁和写锁的数量(或者也可以叫状态)。于是将state变量“按位切割”切分成了两个部分,高16位表示读锁状态(读锁个数),低16位表示写锁状态(写锁个数)。如下图所示:

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了解了概念之后我们再来看代码,先看写锁的加锁源码:

protected final boolean tryAcquire(int var1) {
    Thread var2 = Thread.currentThread();
    int var3 = this.getState();// 取到当前锁的个数
    int var4 = exclusiveCount(var3);// 取写锁的个数var4
    if (var3 != 0) {// 如果已经有线程持有了锁
        if (var4 != 0 && var2 == this.getExclusiveOwnerThread()) {// 如果写线程数(var4)不为0(换言之存在读锁) 且持有锁的线程是当前线程,则进入判断,否则返回false
            if (var4 + exclusiveCount(var1) > 65535) {// 如果写入锁的数量大于最大数(65535,2的16次方-1)就抛出一个Error。
                throw new Error("Maximum lock count exceeded");
            } else {
                this.setState(var3 + var1);//增加锁
                return true;
            }
        } else {
            return false;
        }
     // 如果当且写线程数不为0,并且当前线程需要阻塞,即writerShouldBlock为false,取反则为true;且如果通过CAS增加写线程数成功则进入下一步。
     //此处的CAS处理是为了防止获取写锁的过程中,存在新增读锁的情况,读写锁是互斥的
    } else if (!this.writerShouldBlock() && this.compareAndSetState(var3, var3 + var1)) {
        this.setExclusiveOwnerThread(var2);//如果 var3=0,var4=0或者 var3>0,var4>0(重入),则设置当前线程为锁的拥有者,返回成功!
        return true;
    } else {
        return false;
    }
}

  • 这段代码首先取到当前锁的个数 var3,然后再通过 var3 来获取写锁的个数 var4。因为写锁是低16位,所以取低16位的最大值与当前的 var3 做与运算( int var4 = exclusiveCount(var3) ),高16位和0与运算后是0,剩下的就是低位运算的值,同时也是持有写锁的线程数目。
  • 在取到写锁线程的数目后,首先判断是否已经有线程持有了锁。如果已经有线程持有了锁(var3!=0),则查看当前写锁线程的数目,如果写线程数为0(即此时存在读锁)或者持有锁的线程不是当前线程就返回失败(涉及到公平锁和非公平锁的实现)。
  • 如果写入锁的数量大于最大数(65535,2的16次方-1)就抛出一个 Error。
  • 如果当且写线程数不为0,并且当前线程需要阻塞,即 writerShouldBlock 为 false ,取反则为true;且如果通过 CAS 增加写线程数成功则进入下一步。
  • 如果 var3=0,var4=0或者 var3>0,var4>0(重入),则设置当前线程为锁的拥有者,返回成功!

tryAcquire()除了重入条件(当前线程为获取了写锁的线程)之外,增加了一个读锁是否存在的判断。如果存在读锁,则写锁不能被获取,原因在于:必须确保写锁的操作对读锁可见,如果允许读锁在已被获取的情况下对写锁的获取,那么正在运行的其他读线程就无法感知到当前写线程的操作。

因此,只有等待其他读线程都释放了读锁,写锁才能被当前线程获取,而写锁一旦被获取,则其他读写线程的后续访问均被阻塞。写锁的释放与 ReentrantLock 的释放过程基本类似,每次释放均减少写状态,当写状态为0时表示写锁已被释放,然后等待的读写线程才能够继续访问读写锁,同时前次写线程的修改对后续的读写线程可见。

接着是读锁的代码:

protected final int tryAcquireShared(int var1) {
    Thread var2 = Thread.currentThread();
    int var3 = this.getState();
    // 判断是否存在写锁,若存在则返回-1
    if (exclusiveCount(var3) != 0 && this.getExclusiveOwnerThread() != var2) {
        return -1;
    } else {
        int var4 = sharedCount(var3);
        if (!this.readerShouldBlock() && var4 < 65535 && this.compareAndSetState(var3, var3 + 65536)) {
            if (var4 == 0) {
                this.firstReader = var2;
                this.firstReaderHoldCount = 1;
            } else if (this.firstReader == var2) {
                ++this.firstReaderHoldCount;
            } else {
                ReentrantReadWriteLock.Sync.HoldCounter var5 = this.cachedHoldCounter;
                if (var5 != null && var5.tid == ReentrantReadWriteLock.getThreadId(var2)) {
                    if (var5.count == 0) {
                        this.readHolds.set(var5);
                    }
                } else {
                    this.cachedHoldCounter = var5 = (ReentrantReadWriteLock.Sync.HoldCounter)this.readHolds.get();
                }

                ++var5.count;
            }

            return 1;
        } else {
            return this.fullTryAcquireShared(var2);
        }
    }
}

可以看到在 tryAcquireShared(int var1)方法中,如果其他线程已经获取了写锁,则当前线程获取读锁失败,进入等待状态。如果当前线程获取了写锁或者写锁未被获取,则当前线程(线程安全,依靠CAS保证)增加读状态,成功获取读锁。读锁的每次释放(线程安全的,可能有多个读线程同时释放读锁)均减少读状态,减少的值是“1<<16”。所以读写锁才能实现读读的过程共享,而读写、写读、写写的过程互斥。

参考文献

不可不说的Java“锁”事

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