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2022/09/27阅读:21主题:默认主题

面试~Synchronized 与 锁升级


讲讲 Synchronized/ 讲讲 Synchronized 锁升级

内部实现 Markword

synchronized在修饰方法和代码块在字节码上实现方式有很大差异,但是内部实现还是基于对象头的MarkWord来实现的


jdk5 以前 ---重量级锁

synchronized 只有重量级锁,Synchronized是通过对象内部的一个叫做 监视器锁 (Monitor)来实现的。

但是 监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的 互斥锁 Mutex Lock来实现的。

并且 操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到内核态,这个成本非常高

状态之间的转换需要相对比较长的时间,这就是为什么Synchronized**效率低`**的原因。

因此,这种依赖于操作系统的互斥锁 Mutex Lock实现的锁我们称之为 "重量级锁"。


JDK6 开始 ---偏向锁、轻量锁

对synchronized 进行优化,增加了自适应的 CAS自旋、锁消除、锁膨胀、偏向锁轻量级锁 这些优化策略。

锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级的重量级锁。但是锁的升级是单向的,也就是说只能从低到高升级

在 JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁的,可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁 用偏向锁。


偏向锁

偏向锁的引进,因为HotSpot作者经过研究实践发现,

在大多数的情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低,引进了偏向锁。

在线程持有偏向锁之后,后续对同步代码块的访问都不需要获取锁、释放锁

偏向锁是在单线程执行代码块时使用的机制,如果在多线程并发的环境下(即线程A 尚未执行完同步代码块,线程B发起了申请锁的申请),则一定会转化为轻量级锁或者重量级锁

"偏向"的意思是,偏向锁假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁(不会有任何线程再来申请锁)

因此,只需要在Mark Word中CAS记录owner(本质上也是更新,但初始值为空),

如果记录成功,则偏向锁获取成功,记录锁状态为偏向锁,以后当前线程等于owner就可以零成本的直接获得锁;

否则,说明有其他线程竞争,膨胀为轻量级锁。


轻量锁

引入轻量级锁的目的其实是为了避免使用重量级锁。

通过CAS 自旋,避免了短时间内对线程进行阻塞、唤醒,因为线程的阻塞、唤醒对应着操作系统的用户态和内核态的切换,从而节省资源,提高程序运行的性能。


所以说,各种锁并不是相互代替的,而是在不同场景下的不同选择

  • 偏向锁:无实际竞争,且将来只有第一个申请锁的线程会使用锁。
  • 轻量级锁:无实际竞争,多个线程交替使用锁;允许短时间的锁竞争。
  • 重量级锁:有实际竞争,且激烈竞争

synchronized锁升级过程总结:一句话,就是先自旋,不行再阻塞。



其他必备知识

CAS 自旋

// 执行一个无意义的循环,目的就是等代机会去竞争到锁
while(true){
 //空的
 //一个:每次自旋的时间
 //另外一个:自旋的次数
}

自旋的作用:

避免了短时间内对线程进行阻塞、唤醒,因为线程的阻塞、唤醒对应着操作系统的用户态和内核态的切换,从而节省资源,提高程序运行的性能。


锁信息存放

锁的信息是存放在对象头的 Mark word 中,Mark word 根据锁的状态,存储对应的锁的信息

synchronized 与 锁升级:由对象头中的 Mark Word 根据 锁标志位 的不同而被复用及锁升级策略。

  • 偏向锁:MarkWord 存储的是 偏向的线程ID

  • 轻量锁:MarkWord 存储的是 指向线程中Lock Record的指针

  • 重量锁:MarkWord 存储的是 指向 中的 monitor对象的指针


锁的状态

无锁状态

偏向锁状态

轻量级锁状态

重量级锁状态


各种锁的优点、缺点


阿里巴巴开发手册

【强制】高并发时,同步调用应该去考量 锁的性能损耗

能用无锁数据结构,就不要用锁能锁区块,就不要锁整个方法体能用对象锁,就不要用类锁

说明:尽可能使加锁的代码块工作量尽可能的小,避免在锁代码块中调用RPC方法。


常见面试题

1、你提到了synchronized 的优化,详细说一下 偏向锁、轻量级锁有什么区别?

CAS次数不同、是否主动释放锁

轻量级锁每次申请、释放锁都至少需要一次CAS,而偏向锁只有初始化时需要一次CAS.


偏向锁,只偏向于第一个访问的线程。在这个线程(线程A)第一次来访问同步块时,会使用CAS,更新对象头的ThreadID为偏向线程的id。后续的访问,只需要比较threadId是否相同,不需要CAS操作。且这个偏向的线程是不会主动十分锁的,除非出现线程来竞争。

当第二个线程(线程B)过来访问时,他并不知第一个线程已经存在。所以这第二个线程以为它是被偏爱的,它也想向偏向线程那样使用CAS初始化对象头的ThreadID,发现失败了。

说明对象锁已经被其他线程占用,出现线程竞争

检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活

如果挂了,则可以将对象变为无锁状态,然后重新偏向新的线程。

如果线程还存活,则检查线程是否在执行同步代码块中的代码,如果是,则升级为轻量级锁,进行CAS竞争锁。

轻量级锁的CAS 是每次申请锁都需要执行的



2、你平时是怎么使用 synchronized 关键字

(1) 修饰实例方法: 给当前对象实例加锁

synchronized void method() {
 //业务代码
}

(2) 修饰静态⽅法: 也就是给当前类加锁

synchronized void staic method() {
 //业务代码
}

(3) 修饰代码块

synchronized(this|object|xx.class{
 //业务代码
}

单例模式的双重检索也是使用单例

/* 双重检验锁  */
public class Singleton{
 private Singleton(){}//构造器私有化,防止new,导致多个实例
 private static volatile Singleton singleton;
 public static Singleton getInstance(){//向外暴露一个静态的公共方法  getInstance
     //第一层检查
     if(singleton == null){
         //同步代码块
         synchronized (Singleton.class){
              //第二层检查
             if(singleton == null) {
                 singleton = new Singleton();
             }
         }

     }
     return singleton;
 }
}




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