Java關鍵字synchronized原理與鎖的狀態詳解

2022-08-10 14:04:04

一、Java中鎖的概念

自旋鎖：是指當一個執行緒獲取鎖的時候，如果鎖已經被其它執行緒獲取，那麼該執行緒將回圈等待，然後不斷的判斷鎖是否能被成功獲取，直到獲取到鎖才會退出迴圈。
樂觀鎖：假定沒有衝突，在修改資料時如果發現資料和之前獲取的不一致，則讀最新資料，重試修改。
悲觀鎖：假定會發生並行衝突，同步所有對資料的相關操作，從讀資料就開始上鎖。
獨享鎖(寫)：給資源加上寫鎖，執行緒可以修改資源，其它執行緒不能再加鎖(單寫)。
共用鎖(讀)：給資源加上讀鎖後只能讀不能修改，其它執行緒也只能加讀鎖，不能加寫鎖(多度)。看成Semaphore(號誌)理解即可。
可重入鎖&不可重入鎖：執行緒拿到一把鎖之後，可以自由進入同一把鎖所同步的其它程式碼。
公平鎖&非公平鎖：爭搶鎖的順序，如果是按先來後到，則為公平。即能保證搶鎖的順序和搶到鎖的順序一致則為公平鎖。

二、同步關鍵字synchronized特性

特性：可重入、獨享、悲觀鎖。

鎖相關的優化：

鎖消除：開啟鎖消除的引數有 -XX:+DoEscapeAnalysis、 -XX:+EliminateLocks。
鎖粗化：JDK做了鎖粗化的優化，但我們自己可從程式碼層面優化。

1、鎖消除範例

/**
 * 鎖消除範例，JIT即時編譯，進行了鎖消除
 * @author 劉亞樓
 * @date 2020/1/16
 */
public class LockEliminationExample {
	/**
	 * StringBuilder執行緒不安全，StringBuffer用了synchronized關鍵字，是執行緒安全的
	 * 針對下面這種單執行緒加鎖、解鎖操作，JIT會進行優化，進行鎖消除
	 */
	public static void eliminateLock() {
		StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
		stringBuffer.append("a");
		stringBuffer.append("b");
		stringBuffer.append("c");
		stringBuffer.append("a");
		stringBuffer.append("b");
		stringBuffer.append("c");
		stringBuffer.append("a");
		stringBuffer.append("b");
		stringBuffer.append("c");
	}
}

2、鎖粗化範例

/**
 * 鎖粗化範例
 * @author 劉亞樓
 * @date 2020/1/16
 */
public class LockCoarseningExample {
	/**
	 * 針對下面這種無意義的加鎖操作，JIT會進行優化，對變數i的所有操作放到一個同步程式碼塊裡
	 */
	public static void lockCoarsening() {
		int i = 0;
		synchronized (LockCoarseningExample.class) {
			i++;
		}
		synchronized (LockCoarseningExample.class) {
			i--;
		}
		synchronized (LockCoarseningExample.class) {
			i++;
		}
		synchronized (LockCoarseningExample.class) {
			i++;
			i--;
			i++;
		}
	}
}

備註：鎖消除和鎖粗化的區別在於鎖消除是針對單個執行緒重複加解鎖做的優化，最終沒有鎖的存在。而鎖粗化不只是針對單執行緒，且最終還是有鎖的存在。

三、synchronized關鍵字原理

1、關於Mark Word

首先，物件在堆中由物件頭、範例資料和對齊填充組成。

物件頭包含兩部分資訊，第一部分用於儲存物件自身的執行時資料，如雜湊碼、GC分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖、偏向鎖id等，這部分資料官方稱為"Mark Word"。

物件頭的另一部分是型別指標，即物件指向它的類後設資料的指標，虛擬機器器通過這個指標來確定這個物件是哪個類的範例。

synchronized實現的鎖是通過改變物件頭的"Mark Word"來實現的。

"Mard Word"在32位元和64位元的虛擬機器器(未開啟壓縮指標)中分別為32位元和64位元。32位元虛擬機器器"Mark Word"如下：

2、鎖的狀態變化

(1) 無鎖 → 輕量級鎖

無鎖變成輕量級鎖時，多個執行緒會讀取物件的物件頭的無鎖狀態mark word內容，然後進行cas操作進行修改，預期值是無鎖狀態mark word內容，新值是輕量級鎖狀態mark word內容，若修改成功，Lock record address指向成功獲取鎖的執行緒的Lock Record。

演示流程如下：