Java线程之锁研究

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Java线程之锁研究

it徐胖子 2014-04-08 14:16:00 浏览815
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JDK1.5以后,在锁机制方面引入了新的锁-Lock,在网上的说法都比较笼统,结合网上的信息和我的理解这里做个总结。
JAVA现有的锁机制有两种实现方式。JDK1.4前是通过synchronized实现。JDK1.5后加入java.util.concurrent.locks包下的各种lock。先看一看代码层的区别。

synchronized
在代码中synchronized类似“面向对象”,修饰类、方法、对象。

Lock
不作为修饰,类似“面向过程”,在方法中需要锁的时候lock,在结束的时候unlock(一般都在finally里)。
 
public void method1() {
    // 旧锁,无需人工释放
    synchronized(this){ 
        System.out.println(1);  
    }  
}         
public void method2() {  
    Lock lock = new ReentrantLock();
    //上锁
    lock.lock();
    try{  
        System.out.println(2);  
    }finally{
        // 解锁
        lock.unlock();  
    }  
}

其次说说性能。
相关的性能测试网上已经有很多,直接拿来主义给出结论:
在并发高时lock性能优势很明显,在低并发时,synchronized也能取得优势。具体的临界范围比较难定论,下面会讨论。

现在来分析具体的区别。
锁都是原子性的,也可以理解为锁是否在使用的标记,并且比较和设置这个标记的操作是原子性的,不同硬件平台上的jdk实现锁的相关方法都是native的,比如park/unpark,所
以不同平台上锁的精确度的等级由这些native的方法决定。所以网上经常可以看见的结论是Lock比synchronized有更精确的原子操作,说的也是native方法,不得不感慨C才是硬件王道。


下面继续讨论怎么由代码层到native的过程。
①所有对象都自动含有单一的锁,JVM负责跟踪对象被加锁的次数。如果一个对象被解锁,其计数变为0。在任务(线程)第一次给对象加锁的时候,计数变为1。每当这个相同的任务(线程)在此对象上获得锁时,计数会递增。只有首先获得锁的任务(线程)才能继续获取该对象上的多个锁。每当任务离开时,计数递减,当计数为0的时候,锁被完全释放。synchronized就是基于这个原理,同时synchronized靠某个对象的单一锁技术的次数来判断是否被锁,所以无需(也不能)人工干预锁的获取和释放。如果结合方法调用时的栈和框架(如果对方法的调用过程不熟悉建议看看http://wupuyuan.iteye.com/blog/1157548),不难推测出synchronized原理是基于栈中的某对象来控制一个框架,所以对于synchronized有常用的优化是锁对象不锁方法。实际上synchronized作用于方法时,锁住的是this,作用于静态方法/属性时,锁住的是存在于永久带的CLASS,相当于这个CLASS的全局锁,锁作用于一般对象时,锁住的是对应代码块。在HotSpot中JVM实现中,锁有个专门的名字:对象监视器。当多个线程同时请求某个对象监视器时,对象监视器会设置几种状态用来区分请求的线程:

Contention List
所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列,是个虚拟队列,不是实际的Queue的数据结构。

Entry List
EntryList与ContentionList逻辑上同属等待队列,ContentionList会被线程并发访问,为了降低对ContentionList队尾的争用,而建立EntryList。,Contention Lis中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List。

Wait Set
那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set

OnDeck
任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁,该线程称为OnDeck

Owner
获得锁的线程称为Owner

!Owner
释放锁的线程

②Lock不同于synchronized面向对象,它基于栈中的框架而不是某个具体对象,所以Lock只需要在栈里设置锁的开始和结束(lock和unlock)的地方就行了(人工必须标明),不用关心框架大小对象的变化等等。这么做的好处是Lock能提供无条件的、可轮询的、定时的、可中断的锁获取操作,相对于synchronized来说,synchronized的锁的获取是释放必须在一个模块里,获取和释放的顺序必须相反,而Lock则可以在不同范围内获取释放,并且顺序无关。

java.util.concurrent.locks下的锁类很类似,依赖于java.util.concurrent.AbstractQueuedSynchronizer,它们把所有的Lock接口操作都转嫁到Sync类上,这个类继承了AbstractQueuedSynchronizer,它同时还包含子2个类:NonfairSync 和FairSync 从名字上可以看的出是为了实现公平和非公平性。AbstractQueuedSynchronizer中把所有的的请求线程构成一个队列(一样也是虚拟的),具体的实现可以参考http://blog.csdn.net/chen77716/article/details/6641477。

③从jdk的源代码来看,Lock和synchronized的源码基本相同,区别主要在维护的同步队列上。再往下深究就到了native方法了。

④还有个改进其实很重要的。线程分阻塞(wait)和非阻塞状态,阻塞状态由操作系统(linux、windows等)完成,当前一个被“锁”的线程执行完毕后,有可能在后续的线程队列里还没分配出一个获取锁而被“唤醒”的非阻塞线程,即所有线程还都是阻塞状态时,就被系统调度(进入内核的线程是阻塞的),这样会导致内核在用户态和内核态之间来回接换,严重影响锁的性能。在jdk1.6以前主要靠自旋锁来解决,原理是在前一个线程结束后,争用线程可以做一个空循环,继续占有CPU,等待取锁的机会。当然这样做显然也是浪费时间,只是在两种浪费中选取浪费少的……  jdk1.6后引入了偏向锁,当线程第一次获得了监视对象,之后让监视对象“偏向”这个线程,之后的多次调用则可以避免CAS操作,等于是置了一临时变量来记录位置(类似索引比较)。详细的就涉及到汇编指令了,我也就没太深究,偏向锁性能优于自旋锁,但是还是没有达到HotSpot认为的最佳时间(一个线程上下文切换的时间)。

综合来看对于所有的高并发情况,采用Lock加锁是最优选择,但是由于历史遗留等问题,synchronized也还是不能完全被淘汰,同时,在低并发情况下,synchronized的性能还比Lock好的。


原帖地址:http://wupuyuan.iteye.com/blog/1158655

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