java线程二——锁的机制

Java Thread

Posted by Jerry on March 28, 2017

一段synchronized的代码被一个线程执行之前,他要先拿到执行这段代码的权限,在Java里边就是拿到某个同步对象的锁(一个对象只有一把锁); 如果这个时候同步对象的锁被其他线程拿走了,他(这个线程)就只能等了(线程阻塞在锁池等待队列中)。 取到锁后,他就开始执行同步代码(被synchronized修饰的代码);线程执行完同步代码后马上就把锁还给同步对象,其他在锁池中等待的某个线程就可以拿到锁执行同步代码了。这样就保证了同步代码在统一时刻只有一个线程在执行。

锁的分类

java中锁一共有四种状态,无锁状态,偏向锁状态,轻量级锁状态和重量级锁状态,它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略,目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

  1. 锁自旋

我们知道在当某个线程在进入同步方法/代码块时若发现该同步方法/代码块被其他现在所占,则它就要等待,进入阻塞状态,这个过程性能是低下的。

在遇到锁的争用或许等待事,线程可以不那么着急进入阻塞状态,而是等一等,看看锁是不是马上就释放了,这就是锁自旋。锁自旋在一定程度上可以对线程进行优化处理。

  1. 偏向锁

偏向锁主要为了解决在没有竞争情况下锁的性能问题。在大多数情况下锁锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当某个线程获得锁的情况,该线程是可以多次锁住该对象,但是每次执行这样的操作都会因为CAS(CPU的Compare-And-Swap指令)操作而造成一些开销消耗性能,为了减少这种开销,这个锁会偏向于第一个获得它的线程,如果在接下来的执行过程中,该锁没有被其他的线程获取,则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。

当有其他线程在尝试着竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程就会释放锁。

  1. 锁膨胀

多个或多次调用粒度太小的锁,进行加锁解锁的消耗,反而还不如一次大粒度的锁调用来得高效。

  1. 轻量级锁

轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁,在整个同步周期内都是不存在竞争的”,这是一个经验数据。轻量级锁在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录的空间,用于存储锁对象目前的指向和状态。如果没有竞争,轻量级锁使用CAS操作避免了使用互斥量的开销,但如果存在锁竞争,除了互斥量的开销外,还额外发生了CAS操作,因此在有竞争的情况下,轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

优点

缺点

适用场景

偏向锁

加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。

如果线程间存在锁竞争,会带来额外的锁撤销的消耗。

适用于只有一个线程访问同步块场景。

轻量级锁

竞争的线程不会阻塞,提高了程序的响应速度。

如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。

追求响应时间。

同步块执行速度非常快。

重量级锁

线程竞争不使用自旋,不会消耗CPU。

线程阻塞,响应时间缓慢。

追求吞吐量。

同步块执行速度较长。

线程同步解决方法

众所周知,在Java多线程编程中,一个非常重要的方面就是线程的同步问题。 关于线程的同步,一般有以下解决方法:

  1. 在需要同步的方法的方法签名中加入synchronized关键字。

  2. 使用synchronized块对需要进行同步的代码段进行同步。

  3. 使用JDK 5中提供的java.util.concurrent.lock包中的Lock对象。

另外,为了解决多个线程对同一变量进行访问时可能发生的安全性问题,我们不仅可以采用同步机制,更可以通过JDK 1.2中加入的ThreadLocal来保证更好的并发性。

线程的先来后到

我们来举一个Dirty的例子:某餐厅的卫生间很小,几乎只能容纳一个人如厕。为了保证不受干扰,如厕的人进入卫生间,就要锁上房门。我们可以把卫生间想 象成是共享的资源,而众多需要如厕的人可以被视作多个线程。假如卫生间当前有人占用,那么其他人必须等待,直到这个人如厕完毕,打开房门走出来为止。这就 好比多个线程共享一个资源的时候,是一定要分出先来后到的。

有人说:那如果我没有这道门会怎样呢?让两个线程相互竞争,谁抢先了,谁就可以先干活,这样多好阿?但是我们知道:如果厕所没有门的话,如厕的人一起涌向 厕所,那么必然会发生争执,正常的如厕步骤就会被打乱,很有可能会发生意想不到的结果,例如某些人可能只好被迫在不正确的地方施肥……

正是因为有这道门,任何一个单独进入如厕的人都可以顺利的完成他们的如厕过程,而不会被干扰,甚至发生以外的结果。这就是说,如厕的时候要讲究先来后到。

那么在Java 多线程程序当中,当多个线程竞争同一个资源的时候,如何能够保证他们不会产生“打架”的情况呢?有人说是使用同步机制。没错,像上面这个例子,就是典型的 同步案例,一旦第一位开始如厕,则第二位必须等待第一位结束,才能开始他的如厕过程。一个线程,一旦进入某一过程,必须等待正常的返回,并退出这一过程, 下一个线程才能开始这个过程。这里,最关键的就是卫生间的门。其实,卫生间的门担任的是资源锁的角色,只要如厕的人锁上门,就相当于获得了这个锁,而当他 打开锁出来以后,就相当于释放了这个锁。

也就是说,多线程的线程同步机制实际上是靠锁的概念来控制的。那么在Java程序当中,锁是如何体现的呢?

JVM角度看锁

让我们从JVM的角度来看看锁这个概念:

在Java程序运行时环境中,JVM需要对两类线程共享的数据进行协调: 1)保存在堆中的实例变量 2)保存在方法区中的类变量

这两类数据是被所有线程共享的。 (程序不需要协调保存在Java 栈当中的数据。因为这些数据是属于拥有该栈的线程所私有的。)

在java虚拟机中,每个对象和类在逻辑上都是和一个监视器相关联的。 对于对象来说,相关联的监视器保护对象的实例变量。

对于类来说,监视器保护类的类变量。

(如果一个对象没有实例变量,或者一个类没有变量,相关联的监视器就什么也不监视。) 为了实现监视器的排他性监视能力,java虚拟机为每一个对象和类都关联一个锁。代表任何时候只允许一个线程拥有的特权。线程访问实例变量或者类变量不需锁。

但是如果线程获取了锁,那么在它释放这个锁之前,就没有其他线程可以获取同样数据的锁了。(锁住一个对象就是获取对象相关联的监视器)

类锁实际上用对象锁来实现。当虚拟机装载一个class文件的时候,它就会创建一个java.lang.Class类的实例。当锁住一个对象的时候,实际上锁住的是那个类的Class对象。

一个线程可以多次对同一个对象上锁。对于每一个对象,java虚拟机维护一个加锁计数器,线程每获得一次该对象,计数器就加1,每释放一次,计数器就减 1,当计数器值为0时,锁就被完全释放了。

java编程人员不需要自己动手加锁,对象锁是java虚拟机内部使用的。

在java程序中,只需要使用synchronized块或者synchronized方法就可以标志一个监视区域。当每次进入一个监视区域时,java 虚拟机都会自动锁上对象或者类。

当一个有限的资源被多个线程共享的时候,为了保证对共享资源的互斥访问,我们一定要给他们排出一个先来后到。而要做到这一点,对象锁在这里起着非常重要的作用。

对象锁和类锁

在上一小节中,我们讲到了多线程是如何处理共享资源的,以及保证他们对资源进行互斥访问所依赖的重要机制:对象锁。本小节中,我们来看一看传统的同步实现方式以及这背后的原理。

很多人都知道,在Java多线程编程中,有一个重要的关键字,synchronized。但是很多人看到这个东西会感到困惑:“都说同步机制是通过对象锁来实现的,但是这么一个关键字,我也看不出来Java程序锁住了哪个对象阿?“

没错,我一开始也是对这个问题感到困惑和不解。不过还好,我们有下面的这个例程:

public class ThreadTest extends Thread {   
    private int threadNo;   
    public ThreadTest(int threadNo) {   
        this.threadNo = threadNo;   
    }   
    public static void main(String[] args) throws Exception {   
        for (int i = 1; i < 10; i++) {   
           new ThreadTest(i).start();   
            Thread.sleep(1);   
        }   
     }   
    
    @Override  
     public synchronized void run() {   
        for (int i = 1; i < 10000; i++) {   
            System.out.println("No." + threadNo + ":" + i);   
        }   
     }   
 }

这个程序其实就是让10个线程在控制台上数数,从1数到9999。理想情况下,我们希望看到一个线程数完,然后才是另一个线程开始数数。但是这个程序的执行过程告诉我们,这些线程还是乱糟糟的在那里抢着报数,丝毫没有任何规矩可言。

但是细心的读者注意到:run方法还是加了一个synchronized关键字的,按道理说,这些线程应该可以一个接一个的执行这个run方法才对阿。

但是通过上一节中,我们提到的,对于一个成员方法加synchronized关键字,这实际上是以这个成员方法所在的对象本身作为对象锁。在本例中,就是 以ThreadTest类的一个具体对象,也就是该线程自身作为对象锁的。一共十个线程,每个线程持有自己 线程对象的那个对象锁。这必然不能产生同步的效果。换句话说,如果要对这些线程进行同步,那么这些线程所持有的对象锁应当是共享且唯一的!

我们来看下面的例程:

public class ThreadTest2 extends Thread {   
 private int threadNo; private String lock;   
 public ThreadTest2(int threadNo, String lock) {   
  this.threadNo = threadNo;   
     this.lock = lock;   }   
public static void main(String[] args) throws Exception {   
   String lock = new String("lock");   
     for (int i = 1; i < 10; i++) {     
  new ThreadTest2(i, lock).start();   
      Thread.sleep(1);   
     }   
  }     
public void run() {     
 synchronized (lock) {   
      for (int i = 1; i < 10000; i++) {   
       System.out.println("No." + threadNo + ":" + i);   
    }      
 }     
 }   
 }  

我们注意到,该程序通过在main方法启动10个线程之前,创建了一个String类型的对象。并通过ThreadTest2的构造函数,将这个对象赋值 给每一个ThreadTest2线程对象中的私有变量lock。根据Java方法的传值特点,我们知道,这些线程的lock变量实际上指向的是堆内存中的 同一个区域,即存放main函数中的lock变量的区域。

程序将原来run方法前的synchronized关键字去掉,换用了run方法中的一个synchronized块来实现。这个同步块的对象锁,就是 main方法中创建的那个String对象。换句话说,他们指向的是同一个String类型的对象,对象锁是共享且唯一的!

于是,我们看到了预期的效果:10个线程不再是争先恐后的报数了,而是一个接一个的报数。

再来看下面的例程:

1 public class ThreadTest3 extends Thread {   

 2    
 3     private int threadNo;   
 4     private String lock;   
 5    
 6     public ThreadTest3(int threadNo) {   
 7         this.threadNo = threadNo;   
 8     }   
 9    
10     public static void main(String[] args) throws Exception {   
11        
12         for (int i = 1; i < 20; i++) {   
13             new ThreadTest3(i).start();   
14             Thread.sleep(1);   
15         }   
16     }   
17    
18     public static synchronized void abc(int threadNo) {   
19         for (int i = 1; i < 10000; i++) {   
20               
21                 System.out.println("No." + threadNo + ":" + i);           
22         }   
23     }   
24    
25     public void run() {   
36         abc(threadNo);   
27     }   
28 } 

细心的读者发现了:这段代码没有使用main方法中创建的String对象作为这10个线程的线程锁。而是通过在run方法中调用本线程中一个静态的同步方法abc而实现了线程的同步。我想看到这里,你们应该很困惑:这里synchronized静态方法是用什么来做对象锁的呢?

我们知道,对于同步静态方法,对象锁就是该静态放发所在的类的Class实例,由于在JVM中,所有被加载的类都有唯一的类对象,具体到本例,就是唯一的 ThreadTest3.class对象。不管我们创建了该类的多少实例,但是它的类实例仍然是一个!

总结

  1. 对于同步的方法或者代码块来说,必须获得对象锁才能够进入同步方法或者代码块进行操作;

  2. 如果采用method级别的同步,则对象锁即为method所在的对象,如果是静态方法,对象锁即指method所在的 Class对象(唯一);

  3. 对于代码块,对象锁即指synchronized(abc)中的abc;

  4. 因为第一种情况,对象锁即为每一个线程对象,因此有多个,所以同步失效,第二种共用同一个对象锁lock,因此同步生效,第三个因为是 static因此对象锁为ThreadTest3的class 对象,因此同步生效。

如上述正确,则同步有两种方式,同步块和同步方法(为什么没有wait和notify?这个我会在补充章节中做出阐述)

如果是同步代码块,则对象锁需要编程人员自己指定,一般有些代码为synchronized(this)只有在单态模式才生效; (本类的实例有且只有一个)

如果是同步方法,则分静态和非静态两种 。

静态方法则一定会同步,非静态方法需在单例模式才生效,推荐用静态方法(不用担心是否单例)。

所以说,在Java多线程编程中,最常见的synchronized关键字实际上是依靠对象锁的机制来实现线程同步的。 我们似乎可以听到synchronized在向我们说:“给我一把 锁,我能创造一个规矩”。