Java里有哪些锁?Synchronized如何实现同步锁?

说到Java中的锁,大伙们到底知道多少呢?这可是面试中常问的话题哦。在说Java中有哪些锁之前,首先咱们说说Java锁是什么,他解决了什么问题?

看到上图了吧,说说发生了什么事呢?来自四个方向的车都想同时争着过十字路口,结果拥堵在一起动不了了。这体现在Java开发中,就是多个线程需要同时使用一个对象(多数为增删改操作),那就会发生资源争夺或脏数据的问题。那怎么解决呢?这就需要使用锁来解决。多个线程谁获取锁,谁执行,否则等待,也就像十字路口,那个方向绿灯亮(获取了十字路口这个对象的锁)车就通行,否则等待。这样就解决了争夺资源造成脏数据或死锁的问题。

在计算机科学中,锁(lock)或互斥(mutex)是一种同步机制,用于在有许多执行线程的环境中强制对资源的访问限制。锁旨在强制实施互斥排他、并发控制策略。

一,Java有哪些锁?

  • 公平锁/非公平锁
  • 可重入锁
  • 独享锁/共享锁
  • 互斥锁/读写锁
  • 乐观锁/悲观锁
  • 分段锁
  • 偏向锁/轻量级锁/重量级锁
  • 自旋锁

1,公平锁/非公平锁

公平锁指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序,有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。有可能,会造成优先级反转或者饥饿现象。

对于Java中的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。由于其并不像ReentrantLock是通过AQS的来实现线程调度,所以并没有任何办法使其变成公平锁。

2,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的时候,在进入内层方法会自动获取锁。说的有点抽象,下面会有一个代码的示例。

对于ReentrantLock而言, 他的名字就可以看出是一个可重入锁,其名字是Re entrant Lock重新进入锁。对于Synchronized而言,也是一个可重入锁。可重入锁的一个好处是可一定程度避免死锁。

synchronized void setA() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
    setB();
}

synchronized void setB() throws Exception{
    Thread.sleep(1000);
}

上面的代码就是一个可重入锁的一个特点,如果不是可重入锁的话,setB可能不会被当前线程执行,可能造成死锁。

3,独享锁/共享锁

独享锁是指该锁一次只能被一个线程所持有。而共享锁是指该锁可被多个线程所持有。对于ReentrantLock而言,其是独享锁。但是对于Lock的另一个实现类ReadWriteLock,其读锁是共享锁,其写锁是独享锁。

读锁的共享锁可保证并发读是非常高效的,读写,写读 ,写写的过程是互斥的。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。对于Synchronized而言,当然是独享锁。

4,互斥锁/读写锁

上面讲的独享锁/共享锁就是一种广义的说法,互斥锁/读写锁就是具体的实现。互斥锁在Java中的具体实现就是ReentrantLock读写锁在Java中的具体实现就是ReadWriteLock

5,乐观锁/悲观锁

乐观锁认为对于同一个数据的并发操作,是不会发生修改的。在更新数据的时候,会采用尝试更新,不断重新的方式更新数据。乐观的认为,不加锁的并发操作是不会有问题的。

悲观锁则认为对于同一个数据的并发操作,一定是会发生修改的,哪怕没有修改,也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作,悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为,不加锁的并发操作一定会出问题。

从上面的描述我们可以看出,悲观锁适合写操作非常多的场景,乐观锁适合读操作非常多的场景,不加锁会带来大量的性能提升。

悲观锁在Java中的使用,就是利用各种锁。乐观锁在Java中的使用,是无锁编程,常常采用的是CAS算法,典型的例子就是原子类,通过CAS自旋实现原子操作的更新。

6,分段锁

分段锁其实是一种锁的设计,并不是具体的锁,对于ConcurrentHashMap而言,其并发的实现就是通过分段锁的形式来实现高效的并发操作。我们以ConcurrentHashMap来说一下分段锁的含义以及设计思想,ConcurrentHashMap中的分段锁称为Segment,它即类似于HashMap的结构,即内部拥有一个Entry数组,数组中的每个元素又是一个链表;同时又是一个ReentrantLock(Segment继承了ReentrantLock)。

当需要put元素的时候,并不是对整个hashmap进行加锁,而是先通过hashcode来知道他要放在那一个分段中,然后对这个分段进行加锁,所以当多线程put的时候,只要不是放在一个分段中,就实现了真正的并行的插入。 但是,在统计size的时候,可就是获取hashmap全局信息的时候,就需要获取所有的分段锁才能统计。

分段锁的设计目的是细化锁的粒度,当操作不需要更新整个数组的时候,就仅仅针对数组中的一项进行加锁操作。

7,偏向锁/轻量级锁/重量级锁

这三种锁是指锁的状态,并且是针对Synchronized。

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。

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候,被另一个线程所访问,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,不阻塞,提高性能。

重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候,另一个线程虽然是自旋,但自旋不会一直持续下去,当自旋一定次数的时候,还没有获取到锁,就会进入阻塞,该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞,性能降低。

8,自旋锁

在Java中,自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞,而是采用循环的方式去尝试获取锁,这样的好处是减少线程上下文切换的消耗,缺点是循环会消耗CPU。

二,Synchronized如何实现同步锁?

Java中每一个对象都可以作为锁,这是synchronized实现同步的基础。当一个线程访问同步代码块时,它首先是需要得到锁才能执行同步代码,当退出或者抛出异常时必须要释放锁,那么它是如何来实现这个机制的呢?

Java中同步代码块是使用monitorenter和monitorexit指令实现,同步方法依靠的是方法修饰符上的ACCSYNCHRONIZED实现。

同步代码块:

Monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置,monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置,JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联,当且一个monitor被持有之后,他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时,将会尝试获取对象所对应的monitor所有权,即尝试获取对象的锁;

同步方法:

Synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令,在VM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法,而是在Class文件的方法表中将该方法的accessflags字段中的synchronized标志位置1,表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass做为锁对象。

Synchronized用的锁是存在Java对象头里。

Hotspot虚拟机(Sun公司)的Java对象头主要包括两部分数据:Mark Word(标记字段)Klass Pointer(类型指针)。其中Klass Point是是对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例,Mark Word用于存储对象自身的运行时数据,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

Mark Word用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等。

下图是Java对象头的存储结构(32位虚拟机):

Monitor,可认为一个同步工具,也可以描述为一种同步机制,它通常被描述为一个对象。所有的Java对象是天生的Monitor,每一个Java对象都有成为Monitor的潜质,因为在Java的设计中 ,每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁,它叫做内部锁或者Monitor锁。

Monitor 是线程私有的数据结构,每一个线程都有一个可用monitor record列表,同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联(对象头的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址),同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识,表示该锁被这个线程占用。

Synchronized这是并发编程的重点和难点,这里面涉及的知识很多,如Java对象头、Monitor等,要想知道更多,那就得深入学习理解,我这里只是简单的介绍引导。

本文分享自微信公众号 - 攻城狮的那点事(gh_e40249fc5212)

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原始发表时间:2019-09-23

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