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一、為什么要用鎖?

鎖-是為了解決并發(fā)操作引起的臟讀、數(shù)據(jù)不一致的問題。

二、鎖實(shí)現(xiàn)的基本原理

2.1、volatile

Java編程語言允許線程訪問共享變量， 為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致地更新，線程應(yīng)該確保通過排他鎖單獨(dú)獲得這個(gè)變量。Java語言提供了volatile，在某些情況下比鎖要更加方便。

volatile在多處理器開發(fā)中保證了共享變量的“ 可見性”?？梢娦缘囊馑际钱?dāng)一個(gè)線程修改一個(gè)共享變量時(shí)，另外一個(gè)線程能讀到這個(gè)修改的值。

 

 

結(jié)論：如果volatile變量修飾符使用恰當(dāng)?shù)脑?，它比synchronized的使用和執(zhí)行成本更低，因?yàn)樗粫鹁€程上下文的切換和調(diào)度。

2.2、synchronized

synchronized通過鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步。

先來看下利用synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：Java中的每一個(gè)對象都可以作為鎖。

具體表現(xiàn)為以下3種形式。

• 對于普通同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對象。
• 對于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類的Class對象。
• 對于同步方法塊，鎖是Synchonized括號里配置的對象。

當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問同步代碼塊時(shí)，它首先必須得到鎖，退出或拋出異常時(shí)必須釋放鎖。

2.2.1 synchronized實(shí)現(xiàn)原理

synchronized是基于Monitor來實(shí)現(xiàn)同步的。

Monitor從兩個(gè)方面來支持線程之間的同步：

• 互斥執(zhí)行
• 協(xié)作

1、Java 使用對象鎖 ( 使用 synchronized 獲得對象鎖 ) 保證工作在共享的數(shù)據(jù)集上的線程互斥執(zhí)行。

2、使用 notify/notifyAll/wait 方法來協(xié)同不同線程之間的工作。

3、Class和Object都關(guān)聯(lián)了一個(gè)Monitor。

 

 

Monitor 的工作機(jī)理

• 線程進(jìn)入同步方法中。
• 為了繼續(xù)執(zhí)行臨界區(qū)代碼，線程必須獲取 Monitor 鎖。如果獲取鎖成功，將成為該監(jiān)視者對象的擁有者。任一時(shí)刻內(nèi)，監(jiān)視者對象只屬于一個(gè)活動(dòng)線程(The Owner)
• 擁有監(jiān)視者對象的線程可以調(diào)用 wait() 進(jìn)入等待集合(Wait Set)，同時(shí)釋放監(jiān)視鎖，進(jìn)入等待狀態(tài)。
• 其他線程調(diào)用 notify() / notifyAll() 接口喚醒等待集合中的線程，這些等待的線程需要重新獲取監(jiān)視鎖后才能執(zhí)行 wait() 之后的代碼。
• 同步方法執(zhí)行完畢了，線程退出臨界區(qū)，并釋放監(jiān)視鎖。

參考文檔：https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-synchronized

2.2.2 synchronized具體實(shí)現(xiàn)

1、同步代碼塊采用monitorenter、monitorexit指令顯式的實(shí)現(xiàn)。

2、同步方法則使用ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)記符隱式的實(shí)現(xiàn)。

通過實(shí)例來看看具體實(shí)現(xiàn)：

 

 

javap編譯后的字節(jié)碼如下：

 

 

monitorenter

每一個(gè)對象都有一個(gè)monitor，一個(gè)monitor只能被一個(gè)線程擁有。當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)會嘗試獲取相應(yīng)對象的monitor，獲取規(guī)則如下：

• 如果monitor的進(jìn)入數(shù)為0，則該線程可以進(jìn)入monitor，并將monitor進(jìn)入數(shù)設(shè)置為1，該線程即為monitor的擁有者。
• 如果當(dāng)前線程已經(jīng)擁有該monitor，只是重新進(jìn)入，則進(jìn)入monitor的進(jìn)入數(shù)加1，所以synchronized關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的鎖是可重入的鎖。
• 如果monitor已被其他線程擁有，則當(dāng)前線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到monitor的進(jìn)入數(shù)為0，再重新嘗試獲取monitor。

monitorexit

只有擁有相應(yīng)對象的monitor的線程才能執(zhí)行monitorexit指令。每執(zhí)行一次該指令monitor進(jìn)入數(shù)減1，當(dāng)進(jìn)入數(shù)為0時(shí)當(dāng)前線程釋放monitor，此時(shí)其他阻塞的線程將可以嘗試獲取該monitor。

2.2.3 鎖存放的位置

鎖標(biāo)記存放在Java對象頭的Mark Word中。

 

 

Java對象頭長度

 

 

32位JVM Mark Word 結(jié)構(gòu)

 

 

32位JVM Mark Word 狀態(tài)變化

 

 

64位JVM Mark Word 結(jié)構(gòu)

2.2.3 synchronized的鎖優(yōu)化

JavaSE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”。

在JavaSE1.6中，鎖一共有4種狀態(tài)，級別從低到高依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)，這幾個(gè)狀態(tài)會隨著競爭情況逐漸升級。

鎖可以升級但不能降級，意味著偏向鎖升級成輕量級鎖后不能降級成偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

偏向鎖：

無鎖競爭的情況下為了減少鎖競爭的資源開銷，引入偏向鎖。

 

 

輕量級鎖：

輕量級鎖所適應(yīng)的場景是線程交替執(zhí)行同步塊的情況。

 

 

鎖粗化(Lock Coarsening)：也就是減少不必要的緊連在一起的unlock，lock操作，將多個(gè)連續(xù)的鎖擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖。

鎖消除(Lock Elimination)：鎖削除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭的鎖進(jìn)行削除。

適應(yīng)性自旋(Adaptive Spinning)：自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再固定了，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定。如果在同一個(gè)鎖對象上，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行中，那么虛擬機(jī)就會認(rèn)為這次自旋也很有可能再次成功，進(jìn)而它將允許自旋等待持續(xù)相對更長的時(shí)間，比如100個(gè)循環(huán)。另一方面，如果對于某個(gè)鎖，自旋很少成功獲得過，那在以后要獲取這個(gè)鎖時(shí)將可能省略掉自旋過程，以避免浪費(fèi)處理器資源。

2.2.4 鎖的優(yōu)缺點(diǎn)對比

 

 

2.3、CAS

CAS，在Java并發(fā)應(yīng)用中通常指CompareAndSwap或CompareAndSet，即比較并交換。

1、CAS是一個(gè)原子操作，它比較一個(gè)內(nèi)存位置的值并且只有相等時(shí)修改這個(gè)內(nèi)存位置的值為新的值，保證了新的值總是基于最新的信息計(jì)算的，如果有其他線程在這期間修改了這個(gè)值則CAS失敗。CAS返回是否成功或者內(nèi)存位置原來的值用于判斷是否CAS成功。

2、JVM中的CAS操作是利用了處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的。

優(yōu)點(diǎn)：

• 競爭不大的時(shí)候系統(tǒng)開銷小。

缺點(diǎn)：

• 循環(huán)時(shí)間長開銷大。
• ABA問題。
• 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作。

三、Java中的鎖實(shí)現(xiàn)

3.1、隊(duì)列同步器(AQS)

隊(duì)列同步器AbstractQueuedSynchronizer(以下簡稱同步器)，是用來構(gòu)建鎖或者其他同步組件的基礎(chǔ)框架。

3.1.1、它使用了一個(gè)int成員變量表示同步狀態(tài)。

 

 

3.1.2、通過內(nèi)置的FIFO雙向隊(duì)列來完成獲取鎖線程的排隊(duì)工作。

同步器包含兩個(gè)節(jié)點(diǎn)類型的應(yīng)用，一個(gè)指向頭節(jié)點(diǎn)，一個(gè)指向尾節(jié)點(diǎn)，未獲取到鎖的線程會創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)線程安全(compareAndSetTail)的加入隊(duì)列尾部。同步隊(duì)列遵循FIFO，首節(jié)點(diǎn)是獲取同步狀態(tài)成功的節(jié)點(diǎn)。

 

 

未獲取到鎖的線程將創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置到尾節(jié)點(diǎn)。如下圖所示：

 

 

首節(jié)點(diǎn)的線程在釋放鎖時(shí)，將會喚醒后繼節(jié)點(diǎn)。而后繼節(jié)點(diǎn)將會在獲取鎖成功時(shí)將自己設(shè)置為首節(jié)點(diǎn)。如下圖所示：

 

 

3.1.3、獨(dú)占式/共享式鎖獲取

獨(dú)占式：有且只有一個(gè)線程能獲取到鎖，如：ReentrantLock;

共享式：可以多個(gè)線程同時(shí)獲取到鎖，如：CountDownLatch;

獨(dú)占式

• 每個(gè)節(jié)點(diǎn)自旋觀察自己的前一節(jié)點(diǎn)是不是Header節(jié)點(diǎn)，如果是，就去嘗試獲取鎖。

 

 

• 獨(dú)占式鎖獲取流程：

 

 

共享式：

• 共享式與獨(dú)占式的區(qū)別：

 

 

• 共享鎖獲取流程：

 

 

四、鎖的使用用例

4.1、ConcurrentHashMap的實(shí)現(xiàn)原理及使用

 

 

ConcurrentHashMap類圖

 

 

ConcurrentHashMap數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

結(jié)論：ConcurrentHashMap使用的鎖分段技術(shù)。首先將數(shù)據(jù)分成一段一段地存儲，然后給每一段數(shù)據(jù)配一把鎖，當(dāng)一個(gè)線程占用鎖訪問其中一個(gè)段數(shù)據(jù)的時(shí)候，其他段的數(shù)據(jù)也能被其他線程訪問。