<em>Mac</em>Book项目 2009年学校开始实施<em>Mac</em>Book项目,所有师生配备一本<em>Mac</em>Book,并同步更新了校园无线网络。学校每周进行电脑技术更新,每月发送技术支持资料,极大改变了教学及学习方式。因此2011
2021-06-01 09:32:01
在JDK6之前,通過synchronized來實現同步效率是很低的,被synchronized包裹的程式碼塊經過javac編譯後,會在程式碼塊前後加上monitorenter
和monitorexit
位元組碼指令,被synchronized修飾的方法則會被加上ACC_SYNCHRONIZED
標識,不論是在位元組碼中如何表示,作用和功能都是一樣的,執行緒要想執行同步程式碼塊或同步方法,首先需要競爭鎖。
synchronized保證了任意時刻最多隻有一個執行緒可以競爭到鎖,那麼競爭不到鎖的的執行緒該如何處理呢?
在JDK6之前,Java直接通過OS級別的互斥量(Mutex)來實現同步,獲取不到鎖的執行緒被阻塞掛起,直到持有鎖的執行緒釋放鎖後再將其喚醒,這需要OS頻繁的將執行緒從使用者態切換到核心態,這個切換過程開銷是很大的,OS需要暫停原執行緒並儲存資料,喚醒新執行緒並恢復資料,因此synchronized也被稱為“重量級鎖”。
也正是由於效能原因,開發者慢慢擯棄了synchronized,投入ReentrantLock
的懷抱。
官方意識到這個問題以後,便將“高效並行”作為JDK6的一個重要改進專案,經過開發團隊的重重優化,如今synchronized的效能已經和ReentrantLock保持在一個數量級了,雖然還是慢一丟丟,但是官方表示未來synchronized仍然有優化的餘地。
設計一個類時,考慮到存在並行安全問題,往往會對程式碼塊上鎖。
但是有時候這個被設計為“執行緒安全”的類在使用時壓根就不存在多執行緒競爭,那麼還有什麼理由加鎖呢?
鎖消除優化得益於逃逸分析技術的成熟,即時編譯器在執行時會對程式碼進行掃描,會對不存在共用資料競爭的鎖消除。
例如:在方法中(棧記憶體執行緒私有)範例化一個執行緒安全的類,該範例既沒有傳遞給其他方法,又沒有作為物件返回出去(沒有發生逃逸),那麼JVM就會對進行鎖消除。
如下程式碼,儘管StringBuffer的append()是被synchronized修飾的,但是不存線上程競爭,鎖會消除。
public String method(){ StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append("1");//append()是被synchronized修飾的 sb.append("2"); return sb.toString(); }
由於鎖的競爭和釋放開銷比較大,如果程式碼中對鎖進行了頻繁的競爭和釋放,那麼JVM會進行優化,將鎖的範圍適當擴大。
如下程式碼,在迴圈內使用synchronized,JVM鎖粗化後,會將鎖範圍擴大到迴圈外。
public void method(){ for (int i= 0; i < 100; i++) { synchronized (this){ ... } } }
當有多個執行緒在競爭同一把鎖時,競爭失敗的執行緒如何處理?
兩種情況:
如果鎖競爭非常激烈,且短時間得不到釋放,那麼將執行緒掛起效率會更高,因為競爭失敗的執行緒不斷自旋會造成CPU空轉,浪費效能。
如果鎖競爭並不激烈,且鎖會很快得到釋放,那麼自旋效率會更高。因為將執行緒掛起和喚醒是一個開銷很大的操作。
自旋鎖的優化是針對“鎖競爭不激烈,且會很快釋放”的場景,避免了OS頻繁掛起和喚醒執行緒。
當執行緒競爭鎖失敗時,自旋和掛起哪一種更高效?
當執行緒競爭鎖失敗時,會自旋10次,如果仍然競爭不到鎖,說明鎖競爭比較激烈,繼續自旋會浪費效能,JVM就會將執行緒掛起。
在JDK6之前,自旋的次數通過JVM引數-XX:PreBlockSpin
設定,但是開發者往往不知道該設定多少比較合適,於是在JDK6中,對其進行了優化,加入了“自適應自旋鎖”。
自適應自旋鎖的大致原理:執行緒如果自旋成功了,那麼下次自旋的最大次數會增加,因為JVM認為既然上次成功了,那麼這一次也很大概率會成功。
反之,如果很少會自旋成功,那麼下次會減少自旋的次數甚至不自旋,避免CPU空轉。
除了上述幾種優化外,JDK6加入了新型的鎖機制,不直接採用OS級的“重量級鎖”,鎖型別分為:偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。隨著鎖競爭的激烈程度不斷膨脹,大大提升了競爭不太激烈的同步效能。
“synchronized鎖的是物件,而非程式碼!”
每一個Java物件,在JVM中是存在物件頭(Object Header)的,物件頭中又分Mark Word和Klass Pointer,其中Mark Word就儲存了物件的鎖狀態資訊,其結構如下圖所示:
無鎖:初始狀態
一個物件被範例化後,如果還沒有被任何執行緒競爭鎖,那麼它就為無鎖狀態(01)。
偏向鎖:單執行緒競爭
當執行緒A第一次競爭到鎖時,通過CAS操作修改Mark Word中的偏向執行緒ID、偏向模式。如果不存在其他執行緒競爭,那麼持有偏向鎖的執行緒將永遠不需要進行同步。
輕量級鎖:多執行緒競爭,但是任意時刻最多隻有一個執行緒競爭
如果執行緒B再去競爭鎖,發現偏向執行緒ID不是自己,那麼偏向模式就會立刻不可用。即使兩個執行緒不存在競爭關係(執行緒A已經釋放,執行緒B再去獲取),也會升級為輕量級鎖(00)。
重量級鎖:同一時刻多執行緒競爭
一旦輕量級鎖CAS修改失敗,說明存在多執行緒同時競爭鎖,輕量級鎖就不適用了,必須膨脹為重量級鎖(10)。此時Mark Word儲存的就是指向重量級鎖(互斥量)的指標,後面等待鎖的執行緒必須進入阻塞狀態。
說了這麼多,理論終歸是理論,不如實戰一把來的直接。
通過編寫一些多執行緒競爭程式碼,以及列印物件的頭資訊,來分析哪些情況下鎖會膨脹,以及膨脹成哪種型別的鎖。
openjdk提供了jol工具,可以列印物件的記憶體佈局資訊,依賴如下:
<dependency> <groupId>org.openjdk.jol</groupId> <artifactId>jol-core</artifactId> <version>0.9</version> </dependency>
程式啟動時先sleep5秒是為了等待偏向鎖系統啟動。
編寫一段鎖逐步膨脹的測試程式碼,如下所示:
public class LockTest { static class Lock{} public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); System.err.println("無鎖"); print(lock); synchronized (lock) { //main執行緒首次競爭鎖,可偏向 System.err.println("偏向鎖"); print(lock); } new Thread(()->{ synchronized (lock){ //執行緒A來競爭,偏向執行緒ID不是自己,升級為:輕量級鎖 System.err.println("輕量級鎖"); print(lock); } },"Thread-A").start(); sleep(2000); new Thread(()->{ synchronized (lock){ sleep(1000); } },"Thread-B").start(); //確保執行緒B啟動並獲得鎖,sleep 100毫秒 sleep(100); synchronized (lock){ //main執行緒競爭時,執行緒B還未釋放,多執行緒同時競爭,升級為:重量級鎖 System.err.println("重量級鎖"); print(lock); } } static void print(Object o){ System.err.println("==========物件資訊開始...=========="); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable()); //jol非同步輸出,防止列印重疊,sleep1秒 sleep(1000); System.err.println("==========物件資訊結束...=========="); } static void sleep(long l){ try { Thread.sleep(l); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }
執行後分析一下控制檯輸出資訊,這裡貼上截圖並寫上註釋:
無鎖
偏向鎖
輕量級鎖
重量級鎖
以上,就是JVM中鎖逐步膨脹的過程,另外:鎖不支援回退復原。
偏向鎖是不會主動釋放的,只要沒有其他執行緒競爭,會永遠偏向持有鎖的執行緒,這樣在以後的執行中,都不用再進行同步處理了,節省了同步開銷。
public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); synchronized (lock){ System.err.println("Main執行緒首次競爭鎖"); print(lock); } System.out.println(); sleep(1000); System.err.println("同步程式碼塊退出以後"); print(lock); }
輕量級和重量級鎖均會主動釋放,這裡只貼出輕量級鎖。
public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); synchronized (lock){ //偏向鎖 } new Thread(()->{ synchronized (lock){ System.err.println("輕量級鎖"); print(lock); } },"Thread-A").start(); sleep(5000); System.err.println("n執行緒A釋放鎖後"); print(lock); }
重量級鎖類似,這裡就不貼測試結果了。
一個物件如果計算過雜湊碼,就應該一直保持該值不變(強烈推薦但不強制,因為使用者可以過載hashCode()方法按自己的意願返回雜湊碼)。
在Java中,如果類沒有重寫hashCode(),那麼會自動繼承自Object::hashCode(),Object::hashCode()就是一致性雜湊,只要計算過一次,就會將雜湊碼寫入到物件頭中,且永遠不會改變。
和具體的雜湊演演算法有關,JVM裡有五種雜湊演演算法,通過引數
-XX:hashCode=[0|1|2|3|4]
指定。
只要物件計算過一致性雜湊,偏向模式就置為0了,也就意味著該物件鎖不能再偏向了,最低也會膨脹會輕量級鎖。
如果物件鎖處於偏向模式時遇到計算一致性雜湊請求,那麼會跳過輕量級鎖模式,直接膨脹為重量級鎖。
鎖膨脹為輕量級或重量級鎖後,Mark Word中儲存的分別是執行緒棧幀裡的鎖記錄指標和重量級鎖指標,已經沒有位置再儲存雜湊碼,GC年齡了,那麼這些資訊被移動到哪裡去了呢?
升級為輕量級鎖時,JVM會在當前執行緒的棧幀中建立一個鎖記錄(Lock Record)空間,用於儲存鎖物件的Mark Word拷貝,雜湊碼和GC年齡自然儲存在此,釋放鎖後會將這些資訊寫回到物件頭。
升級為重量級鎖後,Mark Word儲存的重量級鎖指標,代表重量級鎖的ObjectMonitor類裡有欄位記錄無鎖狀態下的Mark Word,鎖釋放後也會將資訊寫回到物件頭。
程式碼實戰,跳過偏向鎖,直接膨脹輕量級鎖
public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); //沒有重寫,一致性雜湊,重寫後無效 lock.hashCode(); synchronized (lock){ System.err.println("本應是偏向鎖,但是由於計算過一致性雜湊,會直接膨脹為輕量級鎖"); print(lock); } }
偏向鎖過程中遇到一致性雜湊計算請求,立馬復原偏向模式,膨脹為重量級鎖
public static void main(String[] args) { sleep(5000); Lock lock = new Lock(); synchronized (lock){ //沒有重寫,一致性雜湊,重寫後無效 lock.hashCode(); System.err.println("偏向鎖過程中遇到一致性雜湊計算請求,立馬復原偏向模式,膨脹為重量級鎖"); print(lock); } }
這裡只做了一個簡單的測試,實際應用環境比測試環境要複雜的多。
單執行緒下,各型別鎖效能測試:
public class PerformanceTest { final static int TEST_COUNT = 100000000; static class Lock{} public static void main(String[] args) { sleep(5000); System.err.println("各型別鎖效能測試"); Lock lock = new Lock(); long start; long end; start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("無鎖:" + (end - start)); //偏向鎖 biasedLock(lock); start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { synchronized (lock) {} } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("偏向鎖耗時:" + (end - start)); //輕量級鎖 lightweightLock(lock); start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { synchronized (lock) {} } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("輕量級鎖耗時:" + (end - start)); //重量級鎖 weightLock(lock); start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { synchronized (lock) {} } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("重量級鎖耗時:" + (end - start)); } static void biasedLock(Object o){ synchronized (o){} } //將鎖升級為輕量級 static void lightweightLock(Object o){ biasedLock(o); Thread thread = new Thread(() -> { synchronized (o) {} }); thread.start(); try { thread.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } //將鎖升級為重量級 static void weightLock(Object o){ lightweightLock(o); Thread t1 = new Thread(() -> { synchronized (o){ sleep(1000); } }); Thread t2 = new Thread(() -> { synchronized (o){ sleep(1000); } }); t1.start(); t2.start(); try { t1.join(); t2.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } static void sleep(long l){ try { Thread.sleep(l); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }
各型別鎖效能測試
無鎖:6
偏向鎖耗時:252
輕量級鎖耗時:2698
重量級鎖耗時:1471
由於是單執行緒,不涉及鎖競爭,重量級鎖反而比輕量級鎖更快,因為不需要OS對執行緒進行額外的排程,執行緒無需掛起和喚醒,而且不用拷貝Mark Word。
在多執行緒競爭環境下,重量級鎖效能下降是毋庸置疑的,如下測試:
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { System.err.println("多執行緒測試"); Lock lock = new Lock(); long start; long end; //輕量級鎖 lightweightLock(lock); start = System.currentTimeMillis(); for (int i = 0; i < TEST_COUNT; i++) { synchronized (lock) {} } end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("輕量級鎖耗時:" + (end - start)); //重量級鎖 weightLock(lock); Thread t1 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < TEST_COUNT / 2; i++) { synchronized (lock) {} } }); Thread t2 = new Thread(() -> { for (int i = 0; i < TEST_COUNT / 2; i++) { synchronized (lock) {} } }); t1.start(); t2.start(); start = System.currentTimeMillis(); t1.join(); t2.join(); end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("重量級鎖耗時:" + (end - start)); }
多執行緒測試
輕量級鎖耗時:2581
重量級鎖耗時:4460
實際的應用環境遠比測試環境複雜的多,鎖效能和執行緒競爭的激烈程度、鎖佔用的時間也有很大關係,測試結果僅供參考。
到此這篇關於淺談Java鎖的膨脹過程以及一致性雜湊對鎖膨脹的影響的文章就介紹到這了,更多相關Java鎖膨脹內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com!
相關文章
<em>Mac</em>Book项目 2009年学校开始实施<em>Mac</em>Book项目,所有师生配备一本<em>Mac</em>Book,并同步更新了校园无线网络。学校每周进行电脑技术更新,每月发送技术支持资料,极大改变了教学及学习方式。因此2011
2021-06-01 09:32:01
综合看Anker超能充系列的性价比很高,并且与不仅和iPhone12/苹果<em>Mac</em>Book很配,而且适合多设备充电需求的日常使用或差旅场景,不管是安卓还是Switch同样也能用得上它,希望这次分享能给准备购入充电器的小伙伴们有所
2021-06-01 09:31:42
除了L4WUDU与吴亦凡已经多次共事,成为了明面上的厂牌成员,吴亦凡还曾带领20XXCLUB全队参加2020年的一场音乐节,这也是20XXCLUB首次全员合照,王嗣尧Turbo、陈彦希Regi、<em>Mac</em> Ova Seas、林渝植等人全部出场。然而让
2021-06-01 09:31:34
目前应用IPFS的机构:1 谷歌<em>浏览器</em>支持IPFS分布式协议 2 万维网 (历史档案博物馆)数据库 3 火狐<em>浏览器</em>支持 IPFS分布式协议 4 EOS 等数字货币数据存储 5 美国国会图书馆,历史资料永久保存在 IPFS 6 加
2021-06-01 09:31:24
开拓者的车机是兼容苹果和<em>安卓</em>,虽然我不怎么用,但确实兼顾了我家人的很多需求:副驾的门板还配有解锁开关,有的时候老婆开车,下车的时候偶尔会忘记解锁,我在副驾驶可以自己开门:第二排设计很好,不仅配置了一个很大的
2021-06-01 09:30:48
不仅是<em>安卓</em>手机,苹果手机的降价力度也是前所未有了,iPhone12也“跳水价”了,发布价是6799元,如今已经跌至5308元,降价幅度超过1400元,最新定价确认了。iPhone12是苹果首款5G手机,同时也是全球首款5nm芯片的智能机,它
2021-06-01 09:30:45