关于线程中的无锁状态偏向锁轻量级锁以及重量级锁
CAS:compare And Swap(比较交换机制)—乐观锁
悲观锁:假设每一次执行同步代码块均会产生冲突,所以当线程获取锁成功,会阻塞其他尝试获取该锁的线程。(JDK1.6之前的内建锁)
乐观锁:假设所有线程访问共享资源时不会出现冲突,既然不会出现冲突自然就不会阻塞其他线程,线程不会出现阻塞状态。(没有锁的概念)
CAS(无锁操作)
使用CAS (比较交换)来判断是否出现冲突,出现冲突就重试当前操作,直到不冲突为止。
1.1CAS 操作过程
一般来说,CAS (V O N)
V表示内存中地址存放的实际值
O表示预期值(即旧值)
N表示更新后的值当执行CAS 后
如果V==O,即内存中旧值与内存中实际值相等,表示上次修改改制后没有任何进程再次修改改制,因此可以将N替换到内存中,如果V!=O,表示该内存中的值已经被其他线程做了修改,所以无法将N替换,返回最新的值V,当多个线程使用CAS 操作同一个变量时,只有一个线程会成功,并成功更新变量值,其余线程均会失败,失败线程会重新尝试或将线程挂起(阻塞)。
元老级的内建锁(synchronized)最主要的问题:当存在线程竞争的情况下,会出现线程阻塞,以及唤醒带来的性能问题,对应互斥同步(阻塞同步)效率很低而CAS 并不是武断的将线程挂起,会尝试若干次CAS 操作,并非进行耗时的挂起与唤醒操作,因此非阻塞式同步。
1.2CAS 会出现的问题
ABA问题
解决思路:沿用数据库的乐观锁机制,添加版本号1A–2B–3A
JDK1.5 提供atomic 包下的AtomicStampedReference类来解决CAS 的ABA问题
1.2.2自旋会浪费大量的处理器资源(CPU)与线程阻塞相比,自旋会浪费大量的CPU资源,因为此时线程仍处于运行状态,只不过跑的是无用指令,,期望在无用指令时,锁能够释放出来。解决思路:自适应自旋根据以往自旋时等待时能否获取倒锁,来动态调整自旋的时间(循环尝试数量)如果在上一次自旋时获取到锁,则此次自选时间稍微长一点,如果在上一次自旋 结束时还没有获取倒锁,此次自选时间稍微短一点。
1.2.3公平性
处于阻塞状态的线程无法立刻竞争被释放的锁,而处于自旋状态的线程很可能先获取到锁内建锁无法实现公平性
JDK1.6之后,对内建锁做了优化,(新增偏向锁,轻量级锁)
锁状态在对象头mark word中
无锁状态0 01
偏量锁1 01
轻量级锁00
重量级锁10
这四种状态随着竞争情况逐渐升级,锁可以升级不能降级,为了提高获得锁与释放锁的效率
2.1偏向锁
最乐观的锁,从始至终只有一个线程请求一把锁偏向锁获取当一个线程访问同步代码块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录中记录存储偏向锁的线程ID,以后该线程再次进入同步块时不再需要CAS加锁或解锁,只需简单测试下对象头的mark word中偏向锁线程ID是否是当前线程ID,如果成功,表示线程已经获取到锁直接进入代码块运行。 如果测试失败,检查当前偏向锁字段是否为0,如果为0,采用CAS操作将偏向锁字段设置为1,并且更新自己的线程ID到mark word字段中。如果为1,表示此时偏向所已经被别的线程获取,则此线程不断尝试使用CAS获取偏向锁或者将偏向锁撤销,升级为轻量级锁(升级概率较大)
关于偏向锁的撤销
偏向锁使用一种等待竞争出现才释放锁的机制,当有其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向所的线程才会释放偏向锁
小tip:偏向锁的撤销开销较大,需要等待线程进入全局安全点safepoint(当前线程在CPU上没有执行任何有用字节码)偏向锁从JDK6之后默认开启,但是它在应用程序启动几秒后才**,-XX:biasedLockingStartupDelay=0,将延迟关闭,JVM一启动就**偏向锁-XX:-UseBiasedLocking=false,关闭偏向锁 ,程序默认进入轻量级锁。
2.2轻量级锁,不停CAS
轻量级锁:多个线程在不同时间段请求同一把锁,也就是基本不存在锁竞争,针对此种状况,JVM采用轻量级锁来避免线程的阻塞以及唤醒。
加锁:线程在执行同步代码块之前,JVM先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头的mark word 字段直接复制到此空间中,然后线程尝试使用CAS将对象头的mark word替换为指向锁记录的指针(指向当前线程)如果成功表示获取到轻量级所,如果失败,表示其他线程竞争轻量级锁,当前线程使用自旋来不断尝试
锁的释放:解锁时,会使用CAS将复制的mark word替换回对象头,如果成功,表示没有竞争发生,正常解锁,如果失败,表示当前锁存在竞争,进一步膨胀为重量级锁,重量级锁会阻塞。唤醒请求加锁的线程,针对的是多个线程同一时刻竞争同一把锁的情况,JVM采用自适应自旋,来避免线程在面对非常小的同步块时,仍会被阻塞以及唤醒。
补充:轻量级锁采用CAS操作,将锁对象的标记字段替换为指向线程的指针,存储着锁对象原本的标记字段,针对的是多个线程在不同时段申请同一把锁的情况,偏向所只会在第一次请求时采用CAS操作,在锁对象的mark word字段中记录下当前线程id,此后运行中持有偏向锁的线程不再有加锁过程。针对的是锁仅会被同一线程持有。(自己独有一个)