马士兵-郑金维—并发编程—3.锁

一、锁的分类

1.1 可重入锁、不可重入锁

Java中提供的synchronized，ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock都是可重入锁。

重入：当前线程获取到A锁，在获取之后尝试再次获取A锁是可以直接拿到的。

不可重入：当前线程获取到A锁，在获取之后尝试再次获取A锁，无法获取到的，因为A锁被当前线程占用着，需要等待自己释放锁再获取锁。

1.2 乐观锁、悲观锁

Java中提供的synchronized，ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock都是悲观锁。

Java中提供的CAS操作，就是乐观锁的一种实现。

悲观锁：获取不到锁资源时，会将当前线程挂起（进入BLOCKED、WAITING），线程挂起会涉及到用户态和内核的太的切换，而这种切换是比较消耗资源的。

• 用户态：JVM可以自行执行的指令，不需要借助操作系统执行。
• 内核态：JVM不可以自行执行，需要操作系统才可以执行。

乐观锁：获取不到锁资源，可以再次让CPU调度，重新尝试获取锁资源。

Atomic原子性类中，就是基于CAS乐观锁实现的。

1.3 公平锁、非公平锁

Java中提供的synchronized只能是非公平锁。

Java中提供的ReentrantLock，ReentrantReadWriteLock可以实现公平锁和非公平锁

公平锁：线程A获取到了锁资源，线程B没有拿到，线程B去排队，线程C来了，锁被A持有，同时线程B在排队。直接排到B的后面，等待B拿到锁资源或者是B取消后，才可以尝试去竞争锁资源。

非公平锁：线程A获取到了锁资源，线程B没有拿到，线程B去排队，线程C来了，先尝试竞争一波

• 拿到锁资源：开心，插队成功。
• 没有拿到锁资源：依然要排到B的后面，等待B拿到锁资源或者是B取消后，才可以尝试去竞争锁资源。

1.4 互斥锁、共享锁

Java中提供的synchronized、ReentrantLock是互斥锁。

Java中提供的ReentrantReadWriteLock，有互斥锁也有共享锁。

互斥锁：同一时间点，只会有一个线程持有者当前互斥锁。

共享锁：同一时间点，当前共享锁可以被多个线程同时持有。

二、深入synchronized

2.1 类锁、对象锁

synchronized的使用一般就是同步方法和同步代码块。

synchronized的锁是基于对象实现的。

如果使用同步方法

• static：此时使用的是当前类.class作为锁（类锁）

• 非static：此时使用的是当前对象做为锁（对象锁）

  public class MiTest {
       
  
      public static void main(String[] args) {
       
          // 锁的是，当前Test.class
          Test.a();
  
          Test test = new Test();
          // 锁的是new出来的test对象
          test.b();
      }
  
  }
  
  class Test{
       
      public static synchronized void a(){
       
          System.out.println("1111");
      }
  
      public synchronized void b(){
       
          System.out.println("2222");
      }
  }
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2.2 synchronized的优化

在JDK1.5的时候，Doug Lee推出了ReentrantLock，lock的性能远高于synchronized，所以JDK团队就在JDK1.6中，对synchronized做了大量的优化。

锁消除：在synchronized修饰的代码中，如果不存在操作临界资源的情况，会触发锁消除，你即便写了synchronized，他也不会触发。

public synchronized void method(){
   
    // 没有操作临界资源
    // 此时这个方法的synchronized你可以认为木有~~
}
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锁膨胀：如果在一个循环中，频繁的获取和释放做资源，这样带来的消耗很大，锁膨胀就是将锁的范围扩大，避免频繁的竞争和获取锁资源带来不必要的消耗。

public void method(){
   
    for(int i = 0;i < 999999;i++){
   
        synchronized(对象){
   

        }
    }
    // 这是上面的代码会触发锁膨胀
    synchronized(对象){
   
        for(int i = 0;i < 999999;i++){
   

        }
    }
}
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锁升级：ReentrantLock的实现，是先基于乐观锁的CAS尝试获取锁资源，如果拿不到锁资源，才会挂起线程。synchronized在JDK1.6之前，完全就是获取不到锁，立即挂起当前线程，所以synchronized性能比较差。

synchronized就在JDK1.6做了锁升级的优化

• 无锁、匿名偏向：当前对象没有作为锁存在。
• 偏向锁：如果当前锁资源，只有一个线程在频繁的获取和释放，那么这个线程过来，只需要判断，当前指向的线程是否是当前线程 。
  • 如果是，直接拿着锁资源走。
  • 如果当前线程不是我，基于CAS的方式，尝试将偏向锁指向当前线程。如果获取不到，触发锁升级，升级为轻量级锁。（偏向锁状态出现了锁竞争的情况）
• 轻量级锁：会采用自旋锁的方式去频繁的以CAS的形式获取锁资源（采用的是自适应自旋锁）
  • 如果成功获取到，拿着锁资源走
  • 如果自旋了一定次数，没拿到锁资源，锁升级。
• 重量级锁：就是最传统的synchronized方式，拿不到锁资源，就挂起当前线程。（用户态&内核态）

2.3 synchronized实现原理

synchronized是基于对象实现的。

先要对Java中对象在堆内存的存储有一个了解。

展开MarkWord

MarkWord中标记着四种锁的信息：无锁、偏向锁、轻量级锁、

2.4 synchronized的锁升级

为了可以在Java中看到对象头的MarkWord信息，需要导入依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jolgroupId>
    <artifactId>jol-coreartifactId>
    <version>0.9version>
dependency>
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锁默认情况下，开启了偏向锁延迟。

偏向锁在升级为轻量级锁时，会涉及到偏向锁撤销，需要等到一个安全点（STW），才可以做偏向锁撤销，在明知道有并发情况，就可以选择不开启偏向锁，或者是设置偏向锁延迟开启

因为JVM在启动时，需要加载大量的.class文件到内存中，这个操作会涉及到synchronized的使用，为了避免出现偏向锁撤销操作，JVM启动初期，有一个延迟4s开启偏向锁的操作

如果正常开启偏向锁了，那么不会出现无锁状态，对象会直接变为匿名偏向

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   
    Thread.sleep(5000);
    Object o = new Object();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

    new Thread(() -> {
   

        synchronized (o){
   
            //t1  - 偏向锁
            System.out.println("t1:" + ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        }
    }).start();
    //main - 偏向锁 - 轻量级锁CAS - 重量级锁
    synchronized (o){
   
        System.out.println("main:" + ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
}
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整个锁升级状态的转变：

Lock Record以及ObjectMonitor存储的内容

2.5 重量锁底层ObjectMonitor

需要去找到openjdk，在百度中直接搜索openjdk，第一个链接就是

找到ObjectMonitor的两个文件，hpp，cpp

先查看核心属性：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/69087d08d473/src/share/vm/runtime/objectMonitor.hpp

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;   // header存储着MarkWord
    _count        = 0;      // 竞争锁的线程个数
    _waiters      = 0,      // wait的线程个数
    _recursions   = 0;      // 标识当前synchronized锁重入的次数
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;   // 持有锁的线程
    _WaitSet      = NULL;   // 保存wait的线程信息，双向链表
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;  // 获取锁资源失败后，线程要放到当前的单向链表中
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // _cxq以及被唤醒的WaitSet中的线程，在一定机制下，会放到EntryList中
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;
  }
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适当的查看几个C++中实现的加锁流程

http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/69087d08d473/src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp

TryLock

int ObjectMonitor::TryLock (Thread * Self) {
   
   for (;;) {
   
	  // 拿到持有锁的线程
      void * own = _owner ;
      // 如果有线程持有锁，告辞
      if (own != NULL) return 0 ;
      // 说明没有线程持有锁，own是null，cmpxchg指令就是底层的CAS实现。
      if (Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) == NULL) {
   
		 // 成功获取锁资源
         return 1 ;
      }
      // 这里其实重试操作没什么意义，直接返回-1
      if (true) return -1 ;
   }
}
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try_entry

bool ObjectMonitor::try_enter(Thread* THREAD) {
   
  // 在判断_owner是不是当前线程
  if (THREAD != _owner) {
   
    // 判断当前持有锁的线程是否是当前线程，说明轻量级锁刚刚升级过来的情况
    if (THREAD->is_lock_owned ((address)_owner)) {
   
       _owner = THREAD ;
       _recursions = 1 ;
       OwnerIsThread = 1 ;
       return true;
    }
    // CAS操作，尝试获取锁资源
    if (Atomic::cmpxchg_ptr (THREAD, &_owner, NULL) != NULL) {
   
      // 没拿到锁资源，告辞
      return false;
    }
    // 拿到锁资源
    return true;
  } else {
   
    // 将_recursions + 1，代表锁重入操作。
    _recursions++;
    return true;
  }
}
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enter（想方设法拿到锁资源，如果没拿到，挂起扔到_cxq单向链表中）

void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
   
  // 拿到当前线程
  Thread * const Self = THREAD ;
  void * cur ;
  // CAS走你，
  cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
  if (cur == NULL) {
   
     // 拿锁成功
     return ;
  }
  // 锁重入操作
  if (cur == Self) {
   
     // TODO-FIXME: check for integer overflow!  BUGID 6557169.
     _recursions ++ ;
     return ;
  }
  //轻量级锁过来的。
  if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) {
   
    _recursions = 1 ;
    _owner = Self ;
    OwnerIsThread = 1 ;
    return ;
  }


  // 走到这了，没拿到锁资源，count++
  Atomic::inc_ptr(&_count);

  
    for (;;) {
   
      jt->set_suspend_equivalent();
      // 入队操作，进到cxq中
      EnterI (THREAD) ;
      if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;
      _recursions = 0 ;
      _succ = NULL ;
      exit (false, Self) ;
      jt->java_suspend_self();
    }
  }
  // count--
  Atomic::dec_ptr(&_count);
  
}
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EnterI

for (;;) {
   
    // 入队
    node._next = nxt = _cxq ;
    // CAS的方式入队。
    if (Atomic::cmpxchg_ptr (&node, &_cxq, nxt) == nxt) break ;

    // 重新尝试获取锁资源
    if (TryLock (Self) > 0) {
   
        assert (_succ != Self         , "invariant") ;
        assert (_owner == Self        , "invariant") ;
        assert (_Responsible != Self  , "invariant") ;
        return ;
    }
}
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三、深入ReentrantLock

3.1 ReentrantLock和synchronized的区别

废话区别：单词不一样。。。

核心区别：

• ReentrantLock是个类，synchronized是关键字，当然都是在JVM层面实现互斥锁的方式

效率区别：

• 如果竞争比较激烈，推荐ReentrantLock去实现，不存在锁升级概念。而synchronized是存在锁升级概念的，如果升级到重量级锁，是不存在锁降级的。

底层实现区别：

• 实现原理是不一样，ReentrantLock基于AQS实现的，synchronized是基于ObjectMonitor

功能向的区别：

• ReentrantLock的功能比synchronized更全面。
  • ReentrantLock支持公平锁和非公平锁
  • ReentrantLock可以指定等待锁资源的时间。