阿里巴巴大咖和你聊聊Java的几把JVM级锁

ゞ浴缸里的玫瑰 2024-04-08 10:53 49阅读 0赞

### **简介** ###

在计算机行业有一个定律叫"摩尔定律"，在此定律下，计算机的性能突飞猛进，而且价格也随之越来越便宜， CPU 从单核到了多核，缓存性能也得到了很大提升，尤其是多核 CPU 技术的到来，计算机同一时刻可以处理多个任务。在硬件层面的发展带来的效率极大提升中，软件层面的多线程编程已经成为必然趋势，然而多线程编程就会引入数据安全性问题，有矛必有盾，于是发明了“锁”来解决线程安全问题。在这篇文章中，总结了 Java 中几把经典的 JVM 级别的锁。

### **synchronized** ###

synchronized 关键字是一把经典的锁，也是我们平时用得最多的。在 JDK1.6 之前， syncronized 是一把重量级的锁，不过随着 JDK 的升级，也在对它进行不断的优化，如今它变得不那么重了，甚至在某些场景下，它的性能反而优于轻量级锁。在加了 syncronized 关键字的方法、代码块中，一次只允许一个线程进入特定代码段，从而避免多线程同时修改同一数据。

synchronized 锁有如下几个特点：

#### **有锁升级过程** ####

在 JDK1.5 (含)之前， synchronized 的底层实现是重量级的，所以之前一致称呼它为"重量级锁"，在 JDK1.5 之后，对 synchronized 进行了各种优化，它变得不那么重了，实现原理就是锁升级的过程。我们先聊聊 1.5 之后的 synchronized 实现原理是怎样的。说到 synchronized 加锁原理，就不得不先说 Java 对象在内存中的布局， Java 对象内存布局如下:

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如上图所示，在创建一个对象后，在 JVM 虚拟机( HotSpot )中，对象在 Java 内存中的存储布局 可分为三块:

#### **对象头区域此处存储的信息包括两部分：** ####

1、对象自身的运行时数据( MarkWord )

存储 hashCode、GC 分代年龄、锁类型标记、偏向锁线程 ID 、 CAS 锁指向线程 LockRecord 的指针等， synconized 锁的机制与这个部分( markwork )密切相关，用 markword 中最低的三位代表锁的状态，其中一位是偏向锁位，另外两位是普通锁位。

2、对象类型指针( Class Pointer )

对象指向它的类元数据的指针、 JVM 就是通过它来确定是哪个 Class 的实例。

#### **实例数据区域**  ####

此处存储的是对象真正有效的信息，比如对象中所有字段的内容

#### **对齐填充区域** ####

JVM 的实现 HostSpot 规定对象的起始地址必须是 8 字节的整数倍，换句话来说，现在 64 位的 OS 往外读取数据的时候一次性读取 64bit 整数倍的数据，也就是 8 个字节，所以 HotSpot 为了高效读取对象，就做了"对齐"，如果一个对象实际占的内存大小不是 8byte 的整数倍时，就"补位"到 8byte 的整数倍。所以对齐填充区域的大小不是固定的。

当线程进入到 synchronized 处尝试获取该锁时， synchronized 锁升级流程如下：

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如上图所示， synchronized 锁升级的顺序为：偏向锁->轻量级锁->重量级锁，每一步触发锁升级的情况如下：

#### **偏向锁** ####

在 JDK1.8 中，其实默认是轻量级锁，但如果设定了 -XX:BiasedLockingStartupDelay = 0 ，那在对一个 Object 做 syncronized 的时候，会立即上一把偏向锁。当处于偏向锁状态时， markwork 会记录当前线程 ID 。

#### **升级到轻量级锁** ####

当下一个线程参与到偏向锁竞争时，会先判断 markword 中保存的线程 ID 是否与这个线程 ID 相等，如果不相等，会立即撤销偏向锁，升级为轻量级锁。每个线程在自己的线程栈中生成一个 LockRecord ( LR )，然后每个线程通过 CAS (自旋)的操作将锁对象头中的 markwork 设置为指向自己的 LR 的指针，哪个线程设置成功，就意味着获得锁。关于 synchronized 中此时执行的 CAS 操作是通过 native 的调用 HotSpot 中 bytecodeInterpreter.cpp 文件 C++ 代码实现的，有兴趣的可以继续深挖。

#### **升级到重量级锁** ####

如果锁竞争加剧(如线程自旋次数或者自旋的线程数超过某阈值， JDK1.6 之后，由 JVM 自己控制该规则)，就会升级为重量级锁。此时就会向操作系统申请资源，线程挂起，进入到操作系统内核态的等待队列中，等待操作系统调度，然后映射回用户态。在重量级锁中，由于需要做内核态到用户态的转换，而这个过程中需要消耗较多时间，也就是"重"的原因之一。

#### **可重入** ####

synchronized 拥有强制原子性的内部锁机制，是一把可重入锁。因此，在一个线程使用 synchronized 方法时调用该对象另一个 synchronized 方法，即一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是永远可以拿到锁的。在 Java 中线程获得对象锁的操作是以线程为单位的，而不是以调用为单位的。 synchronized 锁的对象头的 markwork 中会记录该锁的线程持有者和计数器，当一个线程请求成功后， JVM 会记下持有锁的线程，并将计数器计为1。此时其他线程请求该锁，则必须等待。而该持有锁的线程如果再次请求这个锁，就可以再次拿到这个锁，同时计数器会递增。当线程退出一个 synchronized 方法/块时，计数器会递减，如果计数器为 0 则释放该锁锁。

#### **悲观锁(互斥锁、排他锁)** ####

synchronized 是一把悲观锁(独占锁)，当前线程如果获取到锁，会导致其它所有需要锁该的线程等待，一直等待持有锁的线程释放锁才继续进行锁的争抢。

### **ReentrantLock** ###

ReentrantLock 从字面可以看出是一把可重入锁，这点和 synchronized 一样，但实现原理也与 syncronized 有很大差别，它是基于经典的 AQS(AbstractQueueSyncronized) 实现的, AQS 是基于 volitale 和 CAS 实现的，其中 AQS 中维护一个 valitale 类型的变量 state 来做一个可重入锁的重入次数，加锁和释放锁也是围绕这个变量来进行的。 ReentrantLock 也提供了一些 synchronized 没有的特点，因此比 synchronized 好用。

#### **AQS模型如下图：** ####

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#### ReentrantLock 有如下特点： ####

**1、可重入**

ReentrantLock 和 syncronized 关键字一样，都是可重入锁，不过两者实现原理稍有差别， RetrantLock 利用 AQS 的的 state 状态来判断资源是否已锁，同一线程重入加锁， state 的状态 +1 ; 同一线程重入解锁, state 状态 -1 (解锁必须为当前独占线程，否则异常); 当 state 为 0 时解锁成功。

**2、需要手动加锁、解锁**

synchronized 关键字是自动进行加锁、解锁的，而 ReentrantLock 需要 lock() 和 unlock() 方法配合 try/finally 语句块来完成，来手动加锁、解锁。

**3、支持设置锁的超时时间**

synchronized 关键字无法设置锁的超时时间，如果一个获得锁的线程内部发生死锁，那么其他线程就会一直进入阻塞状态，而 ReentrantLock 提供 try

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