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itning 9月 15, 2019
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偏向锁 01

轻量级锁 00

重量级锁 10

对象在内存中的布局分为三块区域:对象头,实例数据,填充数据

·实例对象·

—————

|对象头 |

|实例变量|

|填充数据|

—————

对象头主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address 组成

  • Mark Word 存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息

  • Class Metadata Address 类型指针指向对象的类元数据,JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。

Mark Word存储结构:

锁状态25bit4bit1bit是否是偏向锁2bit 锁标志位
无锁状态对象HashCode对象分代年龄001
  • 对象头中包含了锁状态,重量级锁标识为10,其中指针指向的是monitor对象(也称为管程或监视器锁)。

  • 每个对象都存在着一个monitor与之关联

  • 当一个monitor被某个线程持有后,便处于锁定状态

  • 在JAVA虚拟机(HotSpot)中,monitor是由ObjectMonitor实现的。

  • 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象
  • ObjectMonitor中有两个队列,_WaitSet_EntryList,用来保存ObjectWaiter对象列表
ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; //指向持有ObjectMonitor对象的线程
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程,会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程,会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
}
  • 多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入 _EntryList 集合

  • 线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程

  • 同时monitor中的计数器count加1

  • 若线程调用 wait() 方法,将释放当前持有的monitorowner变量恢复为nullcount自减1,同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。

锁的状态总共有四种,无锁状态偏向锁轻量级锁重量级锁

  1. 偏向锁

    Java 6 之后加入的。

    在大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁

    核心思想是,如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式,此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构,当这个线程再次请求锁时,无需再做任何同步操作,即获取锁的过程,这样就省去了大量有关锁申请的操作,从而也就提供程序的性能。

    偏向锁失败后,并不会立即膨胀为重量级锁,而是先升级为轻量级锁。

  2. 轻量级锁

    倘若偏向锁失败,虚拟机并不会立即升级为重量级锁,它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的),此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁,在整个同步周期内都不存在竞争”,注意这是经验数据。需要了解的是,轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合,如果存在同一时间访问同一锁的场合,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁

  3. 自旋锁

    轻量级锁失败后,虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起,还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下,线程持有锁的时间都不会太长,如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失,毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,因此自旋锁会假设在不久将来,当前的线程可以获得锁,因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因),一般不会太久,可能是50个循环或100循环,在经过若干次循环后,如果得到锁,就顺利进入临界区。如果还不能获得锁,那就会将线程在操作系统层面挂起,这就是自旋锁的优化方式,这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

  4. 锁清除

    Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译,又称即时编译),通过对运行上下文的扫描,去除不可能存在共享资源竞争的锁,通过这种方式消除没有必要的锁,可以节省毫无意义的请求锁时间

偏向锁,轻量级锁都是乐观锁,重量级锁是悲观锁。

  • 一个对象刚开始实例化的时候,没有任何线程来访问它的时候。它是可偏向的,意味着,它现在认为只可能有一个线程来访问它,所以当第一个线程来访问它的时候,它会偏向这个线程,此时,对象持有偏向锁。偏向第一个线程,这个线程在修改对象头成为偏向锁的时候使用CAS操作,并将对象头中的ThreadID改成自己的ID,之后再次访问这个对象时,只需要对比ID,不需要再使用CAS在进行操作。
  • 一旦有第二个线程访问这个对象,因为偏向锁不会主动释放,所以第二个线程可以看到对象时偏向状态,这时表明在这个对象上已经存在竞争了。检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活,如果挂了,则可以将对象变为无锁状态,然后重新偏向新的线程。如果原来的线程依然存活,则马上执行那个线程的操作栈,检查该对象的使用情况,如果仍然需要持有偏向锁,则偏向锁升级为轻量级锁,(偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的),此时轻量级锁由原持有偏向锁的线程持有,继续执行其同步代码,而正在竞争的线程会进入自旋等待获得该轻量级锁;如果不存在使用了,则可以将对象回复成无锁状态,然后重新偏向。
  • 轻量级锁认为竞争存在,但是竞争的程度很轻,一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开,或者说稍微等待一下(自旋),另一个线程就会释放锁。 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,轻量级锁膨胀为重量级锁,重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞,防止CPU空转。

https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483

https://zhuanlan.zhihu.com/p/29866981

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