Java多线程【锁优化与死锁】

🍒一.synchronized的优化

我们延续上一篇博客进行锁优化的讲解

🍎1.1基本特点

结合上一篇博客的锁策略, 我们就可以总结出, Synchronized 具有以下特性(只考虑 JDK 1.8):
我们根据上述锁策略可知synchronized锁基本特点
1.既是一个乐观锁也是悲观锁（根据锁竞争的的程度，自适应）
2.不是读写锁，只是一个互斥锁
3.既是一个轻量级锁，也是一个重量级锁（根据锁竞争的的程度，自适应）
4.轻量级锁部分由自旋锁来实现的，重量级锁部分是由挂起等待锁来实现的
5.非公平锁
6.可重入锁

🍎1.2加锁工作过程

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

一.偏向锁：
第一个尝试加锁的线程, 优先进入偏向锁状态.
偏向锁不是真的 “加锁”, 只是给对象头中做一个 “偏向锁的标记”, 记录这个锁属于哪个线程.如果后续没有其他线程来竞争该锁, 那么就不用进行其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销)如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了, 很容易识别当前申请锁的线程是不是之前记录的线程), 那就取消原来的偏向锁状态, 进入一般的轻量级锁状态.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.

举个栗子理解偏向锁：
假设男主是一个锁, 女主是一个线程. 如果只有这一个线程来使用这个锁, 那么男主女主即使不领证结婚(避免了高成本操作), 也可以一直幸福的生活下去.但是女配出现了, 也尝试竞争男主, 此时不管领证结婚这个操作成本多高, 女主也势必要把这个动作完成了, 让女配死心.

二.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”

三.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.

🍎1.3优化操作

一.锁消除
编译器+JVM 判断锁是否可消除. 如果可以, 就直接消除.
什么是 “锁消除”
有些应用程序的代码中, 用到了 synchronized, 但其实没有在多线程环境下. (例如 StringBuffer)此时每个 append 的调用都会涉及加锁和解锁. 但如果只是在单线程中执行这个代码, 那么这些加锁解锁操作是没有必要的, 白白浪费了一些资源开销.

StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("a");
sb.append("b");
sb.append("c");
sb.append("d");
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二.锁粗化，锁细化

一段逻辑中如果出现多次加锁解锁, 编译器 + JVM 会自动进行锁的粗化.
一段逻辑中如果未出现多次加锁解锁, 编译器 + JVM 会自动进行锁的细化.
锁的粒度: 粗和细
实际开发过程中, 使用细粒度锁, 是期望释放锁的时候其他线程能使用锁.但是实际上可能并没有其他线程来抢占这个锁. 这种情况 JVM 就会自动把锁粗化, 避免频繁申请释放锁.
举个栗子理解锁粗化
滑稽老哥当了领导, 给下属交代工作任务:
方式一:
打电话, 交代任务1, 挂电话.
打电话, 交代任务2, 挂电话.
打电话, 交代任务3, 挂电话.
方式二:
打电话, 交代任务1, 任务2, 任务3, 挂电话.
显然, 方式二是更高效的方案.

🍒二.死锁

🍎2.1什么是死锁

死锁是这样一种情形：多个线程同时被阻塞，它们中的一个或者全部都在等待某个资源被释放。由于线程被无限期地阻塞，因此程序不可能正常终止

🍎2.2 一对一死锁

一个线程与一把锁，这个线程多次使用了者一把锁进行加锁，当想把第二把锁解开就需要把第一把锁解开，可是第一把锁要解开就需要第二把锁解开才能解开第一把锁…
这个就会联想到之前的不可重入锁

🍎2.3 二对二死锁

两个线程与两把锁
举个栗子理解：
滑稽老哥和女神一起去饺子馆吃饺子. 吃饺子需要酱油和醋.
滑稽老哥抄起了酱油瓶, 女神抄起了醋瓶.
滑稽: 你先把醋瓶给我, 我用完了就把酱油瓶给你.
女神: 你先把酱油瓶给我, 我用完了就把醋瓶给你.
如果这俩人彼此之间互不相让, 就构成了死锁.
酱油和醋相当于是两把锁, 这两个人就是两个线程

🍎2.4 N对M死锁

假设我们有一桌等待吃饭的5个贪吃鬼，但是只有5个筷子

这时，我们让他们每个人拿到身边一个筷子，我们发现他们虽然都有一个筷子，但是都需要等待别人同时有两个筷子用完后，才能得到另一个筷子变成一双筷子才能吃饭，这时就是死锁了

这时我们可以让5个贪吃鬼分别拿离自己最小序号的筷子就可以解决死锁了

🍎2.5死锁的条件

死锁产生的四个必要条件：
●互斥使用，即当资源被一个线程使用(占有)时，别的线程不能使用
●不可抢占，资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放
●请求和保持，即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有
●循环等待，即存在一个等待队列：P1占有P2的资源，P2占有P3的资源，P3占有P1的资源。这样就形成了一个等待环路

当上述四个条件都成立的时候，便形成死锁。当然，死锁的情况下如果打破上述任何一个条件，便可让死锁消失。
其中最容易破坏的就是 “循环等待”.