理解JVM(六):线程安全和锁优化

理解JVM(六):线程安全和锁优化

技术杂谈小彩虹2021-08-19 15:22:48370A+A-

线程安全的实现方法

互斥同步

互斥是因,同步是果;互斥是方法,同步是目的。

synchronized关键字

  • synchronized关键字是基本的互斥同步手段。它在编译后会在同步代码块前后加入2条字节码指令:monitorentermonitorexit
  • 这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。如果Java程序中的synchronized指定了对象参数,那就是这个对象的reference;如果没有指定,就根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法,去取对应的对象实例或Class对象来作为锁对象。
  • 执行monitorenter指令时,首先要尝试获取对象的锁。如果这个对象没被锁定,或当前线程已经拥有了那个对象的锁,把锁的计数器加1;在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1。当计数器为0时,锁就被释放。如果获取对象锁失败,那当前线程就要阻塞等待,直到对象锁被另外一个线程释放为止。
  • synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的,不会出现自己把自己锁死的问题。
  • 同步块在已进入的线程执行完之前,会阻塞后面其他线程的进入。
  • Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一个线程,都需要操作系统来完成,这就需要从用户态转换到核心态中,因此状态转换需要耗费很多的处理器时间,所以synchronized是Java语言中一个重量级的操作。不过虚拟机会有一些优化措施,比如自旋等待。

ReentrantLock重入锁

重入锁位于java.util.concurrent包。基本用法和synchronized相似,只是代码写法有区别:synchronized是原生语法层面的实现。ReentrantLock是API层面,使用lock()unlock()方法配合try/finally语句块来实现。

重入锁有3个高级特性:

  • 等待可中断:当持有锁的线程长期不释放锁时,正在等待的线程可以选择放弃等待,改为处理其他事情。可中断特性对处理执行时间非常长的同步块很有帮助。
  • 可实现公平锁:公平锁是指多个线程在等待同一个锁时,必须按照申请锁的时间顺序来依次获得锁;而非公平锁则不保证这一点,在锁被释放时,任何一个等待锁的线程都有机会获得锁。synchronized中的锁是非公平的,ReentrantLock默认情况下也是非公平的,但可以通过带布尔值的构造函数要求使用公平锁。
  • 锁可以绑定多个条件:一个ReentrantLock对象可以同时绑定多个Condition对象,而在synchronized中,锁对象的wait()notify()notifyAll()方法可以实现一个隐含的条件,如果要和多于一个的条件关联的时候,就不得不额外地添加一个锁,而ReentrantLock则无须这样做,只需要多次调用newCondition()方法即可。

性能比较

  • JDK1.6之前,在多线程环境下,synchronized的吞吐量随着处理器数量增加而下降得非常严重。
  • JDK1.6之后,虚拟机做了优化,2种方式性能差不多。推荐优先使用synchronized方式。

非阻塞同步

互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能问题,因此这种同步也称为阻塞同步(Blocking Synchronization)。

按处理问题的方式来说:

  • 互斥同步是悲观并发策略:无论是否产生共享数据争用,都会做同步措施(加锁,用户态内核态转换等)。
  • 非阻塞同步是一种乐观并发策略:它基于冲突检测。通俗的说,就是先执行代码,若没有发生共享数据争用,就成功执行;若发生共享数据争用,就采取补偿措施(比如不断重试,直到成功),这种策略不会导致线程阻塞。

CAS操作: CAS指令需要有3个操作数,分别是内存位置(在Java中可以简单理解为变量的内存地址,用V表示)、旧的预期值(用A表示)和新值(用B表示)。CAS指令执行时,当且仅当V符合旧预期值A时,处理器用新值B更新V的值,否则它就不执行更新,但是无论是否更新了V的值,都会返回V的旧值,这个处理过程是个原子操作。

ABA问题: 如果一个变量V初次读取的时候是A值,并且在准备赋值的时候检查到它仍然为A值,那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗?如果在这段期间它的值曾经被改成了B,后来又被改回为A,那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。

无同步方案

如果一个方法本来就不涉及共享数据,那它就无须任何同步措施去保证正确性。

  • 可重入代码:这种代码也叫做纯代码(Pure Code),可以在代码执行的任何时刻中断它,转而去执行另外一段代码(包括递归调用它本身),而在控制权返回后,原来的程序不会出现任何错误。
  • 线程本地存储:一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享,并且可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内,这样,无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。
    • Java语言中,如果一个变量要被多线程访问,可以使用volatile关键字声明它为“易变的”;如果一个变量要被某个线程独享,Java中就没有类似C++中__declspec(thread) 这样的关键字,不过还是可以通过java.lang.ThreadLocal类来实现线程本地存储的功能。每一个线程的Thread对象中都有一个ThreadLocalMap对象,这个对象存储了一组以ThreadLocal.threadLocalHashCode为键,以本地线程变量为值的K-V值对,ThreadLocal对象就是当前线程的ThreadLocalMap的访问入口,每一个ThreadLocal对象都包含了一个独一无二的threadLocalHashCode值,使用这个值就可以在线程K-V值对中找回对应的本地线程变量。

锁优化

适应性自旋(Adaptive Spinning)

线程阻塞的时候,让等待的线程不放弃cpu执行时间,而是执行一个自旋(一般是空循环),这叫做自旋锁。

自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销,但它是要占用处理器时间的,因此,如果锁被占用的时间很短,自旋等待的效果就非常好,反之,如果锁被占用的时间很长,那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源,带来性能上的浪费。

因此,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的次数仍然没有成功获得锁,就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是10次,用户可以使用参数-XX:PreBlockSpin来更改。

JDK1.6引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不再固定了,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。比如前一次自旋了3次就获得了一个锁,那么下一次虚拟机会允许他自旋更多次来获得这个锁。如果一个锁很少能通过自旋成功获得,那么之后再遇到这个情况就会省略自旋过程了。

锁消除(Lock Elimination)

虚拟机即时编译器在运行时,对一些代码上要求同步,但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。一般根据逃逸分析的数据支持来作为判定依据。

锁粗化(Lock Coarsening)

原则上,我们在编写代码的时候,总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小——只在共享数据的实际作用域中才进行同步,这样是为了使需要同步的操作数量尽可能变小,如果存在锁竞争,那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

但如果一系列操作频繁对同一个对象加锁解锁,或者加锁操作再循环体内,会耗费性能,这时虚拟机会扩大加锁范围。

轻量级锁(Lightweight Locking)

轻量级锁是JDK 1.6之中加入的新型锁机制。它的作用是在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

HotSpot虚拟机的对象头(Object Header)分为两部分信息,第一部分用于存储对象自身的运行时数据,这部分称为Mark Word。还有一部分存储指向方法区对象类型数据的指针。

加锁

在代码进入同步块的时候,如果此同步对象没有被锁定(锁标志位为“01”状态),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(官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀,即Displaced Mark Word)。然后,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。如果这个更新动作成功,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(Mark Word的最后2bit)将转变为“00”,即表示此对象处于轻量级锁定状态。如果这个更新操作失败了,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,否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁,那轻量级锁就不再有效,要膨胀为重量级锁,锁标志的状态值变为“10”,Mark Word中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

解锁

解锁过程也是通过CAS操作来进行的。如果对象的Mark Word仍然指向着线程的锁记录,那就用CAS操作把对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来,如果替换成功,整个同步过程就完成了。如果替换失败,说明有其他线程尝试过获取该锁,那就要在释放锁的同时,唤醒被挂起的线程。

性能

没有锁竞争时,轻量级锁用CAS操作替代互斥量的开销,性能较优。有锁竞争时,除了互斥量开销,还有CAS操作开销,所以性能较差。但是,一般情况下,在整个同步周期内都是不存在竞争的”,这是一个经验数据。

偏向锁(Biased Locking)

偏向锁也是JDK1.6中引入的锁优化,它的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语,进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量,那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉,连CAS操作都不做了。

当锁对象第一次被线程获取的时候,虚拟机将会把对象头中的标志位设为“01”,即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中,如果CAS操作成功,持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作。当有另外一个线程去尝试获取这个锁时,偏向模式结束。

偏向锁可以提高带有同步但无竞争的程序性能,但并不一定总是对程序运行有利。如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问,那偏向模式就是多余的。在具体问题具体分析的前提下,有时候使用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。

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