JavaEE之锁策略,cas 和 synchronized 优化过程深入浅出

题外话

正题

锁策略

乐观锁和悲观锁

轻量锁和重量锁

CAS算法(Compare And Swap)

自旋锁和挂起等待锁

普通互斥锁和读写锁

公平锁和非公平锁

可重入锁和不可重入锁

synchronized原理

基本特点

锁升级

其它锁优化

锁消除

锁粗化

小结

题外话

时间紧任务重,直接开始讲解,今天内容大都是概念内容

正题

锁策略

乐观锁和悲观锁

乐观锁:乐观锁会认为锁竞争不是很激烈,做的准备工作比较少,开销更小(时间开销,系统资源开销),效率更高一些

悲观锁:悲观锁会认为锁竞争很激烈,做的准备工作比较多,开销更大(时间开销,系统资源开销),效率更低一些

具体使用哪种锁要看实际情况,应用场景

乐观锁一般用在线程竞争一个锁冲突比较少的情况

悲观锁恰恰相反,一般用在线程竞争一个锁冲突比较多的情况

轻量锁和重量锁

轻量锁:开销比较小的锁,需要在用户态中完成,加锁机制一般依赖CAS算法实现

重量锁:开销比较大的锁,需要在内核态中完成, 加锁机制重度依赖了OS提供了mutex

CAS算法(Compare And Swap)

CAS算法是一种无锁算法

无锁算法:基于硬件原语实现,在不使用锁(没有线程被阻塞)的情况下实现多线程之间的变量同步

算法涉及到三个操作数:

需要读写的内存值V

进行比较的值A

要写入的新值B

返回值为boolean类型

算法执行步骤

A和V先比较是否相等(比较)

如果相等,把B写入V(交换)

相等返回true,不相等返回false

自旋锁和挂起等待锁

自旋锁:当线程获取不到锁的时候,不会放弃CPU,会频繁的循环尝试去获取锁,会造成CPU的资源浪费,当锁释放的时候,可以第一时间获取锁, synchronized中的轻量级锁策略⼤概率就是通过⾃旋锁的方式实现的.

挂起等待锁:当线程获取不到锁的时候,会进行堵塞等待,放弃CPU,进入等待队列中,等到锁释放的时候再让系统调度

举个例子

先说自旋锁

挂起等待锁

希望以上例子能帮助大家更好的理解,自旋锁和挂起等待锁

普通互斥锁和读写锁

普通互斥锁:在Java中,只有加锁和解锁两个操作的锁,就是普通互斥锁,如synchronized

读写锁:多线程之间，数据的读取⽅之间不会产⽣线程安全问题，但数据的写入方互相之间以及和读者之间都需要进行互斥。如果两种场景下都⽤同⼀个锁，就会产⽣极⼤的性能损耗。所以读写锁因此⽽产⽣。

读锁和读锁之间不会产生互斥

写锁和写锁之间会产生互斥

写锁和读锁之间会产生互斥

synchronized不是读写锁

公平锁和非公平锁

公平锁:当多个线程获取锁的时候,会根据先来后到的原则,当锁被释放的时候,最先等待的线程会获取到锁,公平锁需要记录线程先来后到,需要额外的数据结构

非公平锁:当多个线程获取锁的时候,不会根据先来后到的原则,而是根据机会均等的原则,当锁被释放的时候,每个线程都有机会获取到锁

synchronized是非公平锁

举个例子:当厕所里有人占用,有很多人排队,而你比其他人来的都早,等厕所里面的人出来,你就可以占用厕所,这就是公平锁

当厕所里有人占用,但是这个厕所不能排队,一群人在门口等待,每个人占用厕所的几率是均等的,哪怕你来的很早,也不一定能轮到你

可重入锁和不可重入锁

可重入锁:允许一个线程多次获取同一把锁

⽐如⼀个递归函数⾥有加锁操作，递归过程中这个锁会阻塞自己吗？如果不会，那么这个锁就是可重入锁（因为这个原因可重⼊锁也叫做递归锁）。

不可重入锁:不允许一个线程多次获取同一把锁

Java⾥只要以Reentrant开头命名的锁都是可重⼊锁，⽽且JDK提供的所有现成的Lock实现类，包括 synchronized关键字锁都是可重⼊的。

synchronized原理

基本特点

结合上⾯的锁策略,我们就可以总结出,synchronized具有以下特性(只考虑JDK1.8):

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

锁升级

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。

无锁:代码中没有加锁

偏向锁:第一个尝试加锁的进程,会进入"偏向锁"的状态,偏向锁不是真的加锁,而是给对象头中做⼀个"偏向锁的标记"

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.

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"

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，并切换回用户态.
●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.