【多线程】synchronized 加锁原理详解

时间：2024-03-02 16:36:47

目录

  • ????synchronized基本特点
  • ????synchronized加锁工作过程
    • ????1) 偏向锁
    • ????2) 轻量级锁
    • ????3) 重量级锁
  • ????其他的优化操作
    • ????锁消除
    • ????锁粗化
  • ⭕相关面试题
  • ????总结

????synchronized基本特点

结合博主之前讲的常见锁策略, 我们就可以总结出,

synchronized 具有以下特性(只考虑 JDK 1.8):

  1. 开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁.
  2. 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较⻓, 就转换成重量级锁.
  3. 实现轻量级锁的时候⼤概率⽤到的⾃旋锁策略
  4. 是⼀种不公平锁
  5. 是⼀种可重⼊锁
  6. 不是读写锁

????synchronized加锁工作过程

JVM 将 synchronized 锁分为 ⽆锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁 状态。会根据情况，进⾏依次升
级。

在这里插入图片描述

????1) 偏向锁

第⼀个尝试加锁的线程, 优先进⼊偏向锁状态

偏向锁不是真的 “加锁”, 只是给对象头中做⼀个 “偏向锁的标记”, 记录这个锁属于哪个线程.
如果后续没有其他线程来竞争该锁, 那么就不⽤进⾏其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销)
如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了, 很容易识别当前
申请锁的线程是不是之前记录的线程), 那就取消原来的偏向锁状态, 进⼊⼀般的轻量级锁状态.
偏向锁本质上相当于 “延迟加锁” . 能不加锁就不加锁, 尽量来避免不必要的加锁开销.
但是该做的标记还是得做的, 否则⽆法区分何时需要真正加锁.

举个例子理解偏向锁

假设男主是⼀个锁, ⼥主是⼀个线程. 如果只有这⼀个线程来使⽤这个锁, 那么男主⼥主即使不领证结
婚(避免了⾼成本操作), 也可以⼀直幸福的⽣活下去.
但是⼥配出现了, 也尝试竞争男主, 此时不管领证结婚这个操作成本多⾼, ⼥主也势必要把这个动作完
成了, 让⼥配死⼼.

????2) 轻量级锁

随着其他线程进⼊竞争, 偏向锁状态被消除, 进⼊轻量级锁状态(⾃适应的⾃旋锁).

此处的轻量级锁就是通过 CAS 来实现.

• 通过 CAS 检查并更新⼀块内存 (⽐如 null => 该线程引⽤)
• 如果更新成功, 则认为加锁成功
• 如果更新失败, 则认为锁被占⽤, 继续⾃旋式的等待(并不放弃 CPU).

⾃旋操作是⼀直让 CPU 空转, ⽐较浪费 CPU 资源.
因此此处的⾃旋不会⼀直持续进⾏, ⽽是达到⼀定的时间/重试次数, 就不再⾃旋了.
也就是所谓的 “⾃适应”

????3) 重量级锁

如果竞争进⼀步激烈, ⾃旋不能快速获取到锁状态, 就会膨胀为重量级锁

此处的重量级锁就是指⽤到内核提供的 mutex .

• 执⾏加锁操作, 先进⼊内核态.
• 在内核态判定当前锁是否已经被占⽤
• 如果该锁没有占⽤, 则加锁成功, 并切换回⽤⼾态.
• 如果该锁被占⽤, 则加锁失败. 此时线程进⼊锁的等待队列, 挂起. 等待被操作系统唤醒.
• 经历了⼀系列的沧海桑⽥, 这个锁被其他线程释放了, 操作系统也想起了这个挂起的线程, 于是唤醒
这个线程, 尝试重新获取锁.

????其他的优化操作

????锁消除

编译器+JVM 判断锁是否可消除. 如果可以, 就直接消除.

什么是 “锁消除”

有些应⽤程序的代码中, ⽤到了 synchronized, 但其实没有在多线程环境下. (例如 StringBuffer)

StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("a");
sb.append("b");
sb.append("c");
sb.append("d");

此时每个 append 的调⽤都会涉及加锁和解锁. 但如果只是在单线程中执⾏这个代码, 那么这些加锁解 锁操作是没有必要的,⽩⽩浪费了⼀些资源开销.

????锁粗化

⼀段逻辑中如果出现多次加锁解锁, 编译器 + JVM 会⾃动进⾏锁的粗化.

锁的粒度: 粗和细
在这里插入图片描述

实际开发过程中, 使⽤细粒度锁, 是期望释放锁的时候其他线程能使⽤锁.

但是实际上可能并没有其他线程来抢占这个锁. 这种情况 JVM 就会⾃动把锁粗化, 避免频繁申请释放
锁.

举个例子理解锁粗化

滑稽⽼哥当了领导, 给下属交代⼯作任务:

⽅式⼀:
• 打电话, 交代任务1, 挂电话.
• 打电话, 交代任务2, 挂电话.
• 打电话, 交代任务3, 挂电话.

⽅式⼆:

• 打电话, 交代任务1, 任务2, 任务3, 挂电话.

显然, 方式⼆是更⾼效的⽅案

可以看到, synchronized 的策略是⽐价复杂的, 在背后做了很多事情, ⽬的为了让程序猿哪怕啥都不懂,
也不⾄于写出特别慢的程序.

JVM 开发者为了 Java 程序猿操碎了心.
在这里插入图片描述

⭕相关面试题

  1. 什么是偏向锁?

偏向锁不是真的加锁, ⽽只是在锁的对象头中记录⼀个标记(记录该锁所属的线程). 如果没有其他线程
参与竞争锁, 那么就不会真正执⾏加锁操作, 从⽽降低程序开销. ⼀旦真的涉及到其他的线程竞争, 再取
消偏向锁状态, 进⼊轻量级锁状态.

  1. synchronized 实现原理 是什么？

参考上⾯的 synchronized 原理 章节全部内容.

????总结

关于《【多线程】synchronized 加锁原理详解》就讲解到这儿，感谢大家的支持，欢迎各位留言交流以及批评指正，如果文章对您有帮助或者觉得作者写的还不错可以点一下关注，点赞，收藏支持一下！

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