lock和sync的理解

前言

最近在看一些lock和sync的一些文章和源码,深有体会,特此写这篇博客来总结下(
ps:感谢赵sir的指导
博客:https://blog.csdn.net/qq_36094018)。

sync

为什么要使用sync

我记得我之前写过一篇博客,关于volatile的(只是讲了可见性,内存屏障这些后期会补上,主要是懒得去写哈哈哈哈),其中大概也说到了一点,volatile在多线程下可以保证变量的可见性,但是不保证原子性。

首先来看下面这段代码

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private volatile int flag=0;
public void increase() {
flag++;
}
public static void main(String[] args){
SynchronizedThread test = new SynchronizedThread();
// 启10个线程
for (int i = 0; i <10; i++) {
new Thread(()->{
// 每个线程对flag进来i++ 1000次
for (int j = 0; j <1000 ; j++) {
test.increase();
}
}).start();
}
//保证前面的线程都执行完
while(Thread.activeCount()>2){
Thread.yield();
}
// 理想值为10000
System.out.println(test.flag);
}

运行上面代码,会发现输出flag的值不是理想中10000,虽然volatile写入时候会通知其他线程的工作内存值无效,从主内存重写读取。i++是三步操作,读取-赋值-写入不能保证原子性。

比如此时主内存的flag值10,线程1和线程2读取到自己工作内存都是10,然后线程1在进行赋值的时候,线程2执行了,这时线程2发现自己内存的值和主内存的值一样,并没有修改,然后赋值写入11,此时线程1运行,因为之前读过了,会往下继续运行写入也是11。那么两个线程相当于只增加了一次。

所以这个就是volatile的缺陷,如果想要避免这种缺陷,java大佬们就引入了sync这个关键词,保证了原子性。

其实保证线程安全的主要有sync和lock的,一个基于jvm层面,一个基于java层面。

关于具体用哪个呢?这个还是要根据具体情况而定。这取决于竞争资源是否紧张而定。即有大量线程同事竞争。

或许有小伙伴看过《java编发变成实战》这本书,书中有说到,lock可以提高多个线程进行读操作的效率,推荐使用吧。

但是具体在实战中,如下所示:
nginx

同时书中也说了下面这段话,往大家自行选择。

nginx

sync详解

Java提供的一种原子性性内置锁,Java每个对象都可以把它当做是监视器锁,线程代码执行在进入synchronized代码块时候会自动获取内部锁,这个时候其他线程访问时候会被阻塞到队列,直到进入synchronized中的代码执行完毕或者抛出异常或者调用了wait方法,都会释放锁资源。在进入synchronized会从主内存把变量读取到自己工作内存,在退出的时候会把工作内存的值写入到主内存,保证了原子性。

sync机制

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public class Test {
public static void main(String[] args) {
synchronized (Test.class){

}
}
}

查看sync底层的字节码文件

sync

其实jvm层面的话

sync主要做了三件事

1:进入监视器,获取锁

2:程序正常结束的话,释放锁

3:出现异常,释放锁

sync的使用场景

1:对于普通方法的话,sync锁的是当前实力对象。

2:对于静态方法,锁是当前类对象。

3:对于同步代码块,锁是synchronized括号里的对象。

sync锁的升级

synchronized在1.6以前是重量级锁,当前只有一个线程执行,其他线程阻塞。为了减少获得锁和释放锁带来的性能问题,而引入了偏向锁、轻量级锁以及锁的存储过程和升级过程。在1.6后锁分为了无锁、偏向锁、轻量锁、重量锁,锁的状态在多线程竞争的情况下会逐渐升级,只能升级而不能降级,这样是为了提高锁获取和释放的效率。

synchronized的锁是存贮在Java对象头里的,如果对象是数组类型,则虚拟机用3个字宽(Word)存储对象头,如果对象是非数组类型,则用2字宽存储对象头。1个字宽等于4个字节。

sync

Java对象头中的Mark Word里默认存储了对象是HashCode、分代年龄、和锁标记。

sync

在运行的时候,Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化,可能会变化为存储以下四种形式。
sync

锁的升级看此图:(图片来源于网上)

sync

偏向锁

偏向锁的意思未来只有一个线程使用锁,不会有其他线程来争取。

获取锁:

1:检查Mark word中锁的标志是否为01。

2:如果是01,判断对象头的Mark word记录是否为当前线程ID,如果是执行5,否则执行3.

3:线程ID并未只指向自己,发送CAS竞争,如果竞争成功,则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID,执行5;如果未成功执行4。

4:当到达全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码)时获得偏向锁的线程被挂起,偏向锁升级为轻量级锁,然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。

5:执行同步代码。

撤销锁:偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制,所以当其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁。需要等待全局安全点,它首先暂停原持有偏向锁的线程,然后检查线程是否还在活着,如果线程处于未活动状态,则释放锁标记,如果处于活动状态则升级为轻量级锁。

CAS

CAS全称是Compare And Swap 即比较并交换,使用乐观锁机制,包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配,那么才会将该位置值更新为新值 。否则,处理器不做任何操作。

轻量锁

线程在执行同步代码块之前,JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间,并
将对象头中的Mark Word复制到锁记录中,官方称为Displaced Mark Word。
加锁:

CAS修改Mark Word,如果成功指向栈中锁记录的指针执行3,如果失败执行2.
发生自旋,自旋到一定次数,如果修改成功执行3,否则锁膨胀为重量级锁。
执行同步代码块。
解锁:
轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头,如果成
功,则表示没有竞争发生。如果失败,表示当前锁存在竞争,锁就会膨胀成重量级锁。

优点 缺点 使用场景
偏向锁 加锁和解锁不需要额外的消耗 如果线程出现竞争,会带来额外的锁撤销的消耗 适用于当前只有一个线程访问同步块场景
轻量级锁 竞争的线程不会阻塞,提高响应速度 如果始终得不到锁竞争的线程,使用自旋消耗CPU 追求响应时间,同步块执行速度快
重量级锁 线程竞争不适用自旋,不会消耗CPU 阻塞线程,响应时间缓慢 追求吞吐量

lock

它是在1.5之后提供的一个独占锁接口,它的实现类是ReentrantLock,相比较synchronized这种隐式锁(不用手动加锁和释放锁)的便捷性,但是提供了更加锁的可操作性、可中断的获取锁以及超时获取锁等多种synchronized不具备的特性。

在finally中释放锁,目的保证获取锁最终被释放。不要在获取锁写在try里,因为如果在获取锁时发生了异常,异常抛出的同时,也会导致锁无故释放。

lock详解

ReentrantLock是基于AQS实现的,那么什么是aqs呢?

AQS

AQS是队列同步器(AbstractQueuedSynchronizer),是用来构建锁或者其他同步器的基础框架,它使用了一个int成员变量表示同步状态,通过内置的FIFO队列来完成资源获取的线程排队工作问题。AQS在内部维护了一个单一的状态信息state,可以通过getState、setState、compareAndSetState(CAS操作)修改此值,对于ReentrantLock来说,state可以用来表示当前线程获取锁的可重入次数。ReentrantLock中当一个线程获取了锁,在AQS的内部会进行compareAndSetState将state变为1,如果再次获取就设置为2,释放锁也会去修改state值,只有当值变为0时,其他线程才能获得锁

锁的介绍

AQS底层维护state和队列来实现独占和共享两种锁。

独占锁:每次只能有一个线程能持有锁,如lock、synchronized。

共享锁:允许多个线程同时获取锁,并发访问共享资源,如ReadWriteLock。

lock分为公平锁和非公平锁,实现了AQS接口,通过FIFO设置锁的优先级。

公平锁:根据线程获取锁的时间来判断,等待时间越久的线程优先被执行。Lock中初始化的时候
ReentrantLock(true),默认为false,效率较低因为需要判断线程的等待时间。

非公平锁:抢占锁资源,不能保证获取锁的线程优先级,效率较高,因为获取锁是竞争的。

总结

  1. synchronized是Java的关键字,lock是提供的类。
  2. synchronized提供不需要手动加锁和释放的隐式锁,释放锁的条件是代码执行完或者抛出异常自动释放。lock必须手动加锁和释放锁,另外还提供了可中断锁、超时获取锁、判断锁状态。
  3. synchronized是可重入、不可中断、非公平,lock是可重入、可中断、公平(两者皆可)
  4. synchronized适合代码量少的同步,lock适合代码量同步多的。
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