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java之synchronized的實現(xiàn)原理

更新時間:2018-07-25 來源:黑馬程序員JavaEE培訓(xùn)學(xué)院 瀏覽量:

目前在Java中存在兩種鎖機制:synchronized和Lock, Lock接口及其實現(xiàn)類是JDK5增加的內(nèi)容,其作者是大名鼎鼎的并發(fā)專家Doug Lea。本文并不比較synchronized與Lock孰優(yōu)孰劣,只是介紹二者的實現(xiàn)原理。

數(shù)據(jù)同步需要依賴鎖,那鎖的同步又依賴誰?synchronized給出的答案是在軟件層面依賴JVM,而Lock給出的方案是在硬件層面依賴特殊的CPU指令,大家可能會進一步追問:JVM底層又是如何實現(xiàn)synchronized的?

本文所指說的JVM是指Hotspot的6u23版本,下面首先介紹synchronized的實現(xiàn):synrhronized關(guān)鍵字簡潔、清晰、語義明確,因此即使有了Lock接口,使用的還是非常廣泛。其應(yīng)用層的語義是可以把任何一個非null對象作為”鎖”, 當(dāng)synchronized作用在方法上時,鎖住的便是對象實例(this);當(dāng)作用在靜態(tài)方法時鎖住的便是對象對應(yīng)的Class實例,因為Class數(shù)據(jù)存在于永久代,因此靜態(tài)方法鎖相當(dāng)于該類的一個全局鎖;當(dāng)synchronized作用于某一個對象實例時,鎖住的便是對應(yīng)的代碼塊。在HotSpot JVM實現(xiàn)中,鎖有個專門的名字:對象監(jiān)視器。

1、線程狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換

當(dāng)多個線程同時請求某個對象監(jiān)視器時,對象監(jiān)視器會設(shè)置幾種狀態(tài)用來區(qū)分請求的線程:

Contention List:所有請求鎖的線程將被首先放置到該競爭隊列

Entry List:Contention List中那些有資格成為候選人的線程被移到Entry List

Wait Set:那些調(diào)用wait方法被阻塞的線程被放置到Wait Set

OnDeck:任何時刻最多只能有一個線程正在競爭鎖,該線程稱為OnDeck

Owner:獲得鎖的線程稱為Owner

!Owner:釋放鎖的線程

新請求鎖的線程將首先被加入到ConetentionList中,當(dāng)某個擁有鎖的線程(Owner狀態(tài))調(diào)用unlock之后,如果發(fā)現(xiàn)EntryList為空則從ContentionList中移動線程到EntryList, 下面說明下ContentionList和EntryList的實現(xiàn)方式:

1.1 ContentionList虛擬隊列

ContentionList并不是一個真正的Queue,而只是一個虛擬隊列,原因在于ContentionList是由Node及其next指針邏輯構(gòu)成,并不存在一個Queue的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。ContentionList是一個后進先出(LIFO)的隊列,每次新加入Node時都會在隊頭進行,通過CAS改變第一個節(jié)點的的指針為新增節(jié)點,同時設(shè)置新增節(jié)點的next指向后續(xù)節(jié)點,而取得操作則發(fā)生在隊尾。顯然,該結(jié)構(gòu)其實是個Lock-Free(無鎖)的隊列。

因為只有Owner線程才能從隊尾取元素,也即線程出列操作無爭用,當(dāng)然也就避免了CAS的ABA問題。

1.2 EntryList

EntryList與ContentionList邏輯上同屬等待隊列,ContentionList會被線程并發(fā)訪問,為了降低對ContentionList隊尾的爭用,而建立EntryList。 Owner線程在unlock時會從ContentionList中遷移線程到EntryList,并會指定EntryList中的某個線程(一般為Head)為Ready(OnDeck)線程。Owner線程并不是把鎖傳遞給OnDeck線程,只是把競爭鎖的權(quán)利交給OnDeck,OnDeck線程需要重新競爭鎖。這樣做雖然犧牲了一定的公平性,但極大的提高了整體吞吐量,在Hotspot中把OnDeck的選擇行為稱之為“競爭切換”。

OnDeck線程獲得鎖后即變?yōu)閛wner線程,無法獲得鎖則會依然留在EntryList中,考慮到公平性,在EntryList中的位置不發(fā)生變化(依然在隊頭)。如果Owner線程被wait方法阻塞,則轉(zhuǎn)移到WaitSet隊列;如果在某個時刻被notify/notifyAll喚醒,則再次轉(zhuǎn)移到EntryList。

2、自旋鎖

那些處于ContetionList、EntryList、WaitSet中的線程均處于阻塞狀態(tài),阻塞操作由操作系統(tǒng)完成(在Linxu下通過pthread_mutex_lock函數(shù))。線程被阻塞后便進入內(nèi)核(Linux)調(diào)度狀態(tài),這個會導(dǎo)致系統(tǒng)在用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間來回切換,嚴(yán)重影響鎖的性能。

緩解上述問題的辦法便是自旋,其原理是:當(dāng)發(fā)生爭用時,若Owner線程能在很短的時間內(nèi)釋放鎖, 則那些正在爭用線程可以稍微等一等(自旋),在Owner線程釋放鎖后,爭用線程可能會立即得到鎖,從而避免了系統(tǒng)阻塞。但Owner運行的時間可能會超出了臨界值,爭用線程自旋一段時間后還是無法獲得鎖,這時爭用線程則會停止自旋進入阻塞狀態(tài)(后退)。基本思路就是自旋,不成功再阻塞,盡量降低阻塞的可能性,這對那些執(zhí)行時間很短的代碼塊來說有非常重要的性能提高。 自旋鎖有個更貼切的名字:自旋-指數(shù)后退鎖,也即復(fù)合鎖。很顯然,自旋在多處理器上才有意義。

還有個問題是,線程自旋時做些啥?其實啥都不做,可以執(zhí)行幾次for循環(huán),可以執(zhí)行幾條空的匯編指令,目的是占著CPU不放,等待獲取鎖的機會。所以說,自旋是把雙刃劍,如果旋的時間過長會影響整體性能,時間過短又達不到延遲阻塞的目的。顯然,自旋的周期選擇顯得非常重要,但這與操作系統(tǒng)、硬件體系、系統(tǒng)的負(fù)載等諸多場景相關(guān),很難選擇,如果選擇不當(dāng),不但性能得不到提高,可能還會下降,因此大家普遍認(rèn)為自旋鎖不具有擴展性。

對自旋鎖周期的選擇上,HotSpot認(rèn)為最佳時間應(yīng)是一個線程上下文切換的時間,但目前并沒有做到。經(jīng)過調(diào)查,目前只是通過匯編暫停了幾個CPU周期,除了自旋周期選擇,HotSpot還進行許多其他的自旋優(yōu)化策略,具體如下:

* 如果平均負(fù)載小于CPUs則一直自旋

* 如果有超過(CPUs/2)個線程正在自旋,則后來線程直接阻塞

* 如果正在自旋的線程發(fā)現(xiàn)Owner發(fā)生了變化則延遲自旋時間(自旋計數(shù))或進入阻塞

* 如果CPU處于節(jié)電模式則停止自旋

* 自旋時間的最壞情況是CPU的存儲延遲(CPU A存儲了一個數(shù)據(jù),到CPU B得知這個數(shù)據(jù)直接的時間差)

* 自旋時會適當(dāng)放棄線程優(yōu)先級之間的差異

那synchronized實現(xiàn)何時使用了自旋鎖? 答案是在線程進入ContentionList時,也即第一步操作前。線程在進入等待隊列時首先進行自旋嘗試獲得鎖,如果不成功再進入等待隊列。這對那些已經(jīng)在等待隊列中的線程來說,稍微顯得不公平。還有一個不公平的地方是自旋線程可能會搶占了Ready線程的鎖。自旋鎖由每個監(jiān)視對象維護,每個監(jiān)視對象一個。

3、偏向鎖

在JVM1.6中引入了偏向鎖,偏向鎖主要解決無競爭下的鎖性能問題, 首先我們看下無競爭下鎖存在什么問題:

現(xiàn)在幾乎所有的鎖都是可重入的,也即已經(jīng)獲得鎖的線程可以多次鎖住/解鎖監(jiān)視對象,按照之前的HotSpot設(shè)計,每次加鎖/解鎖都會涉及到一些CAS操作(比如對等待隊列的CAS操作),CAS操作會延遲本地調(diào)用,因此偏向鎖的想法是一旦線程第一次獲得了監(jiān)視對象,之后讓監(jiān)視對象“偏向”這個線程,之后的多次調(diào)用則可以避免CAS操作,說白了就是置個變量,如果發(fā)現(xiàn)為true則無需再走各種加鎖/解鎖流程。 但還有很多概念需要解釋、很多引入的問題需要解決:

3.1 CAS及SMP架構(gòu)

CAS為什么會引入本地延遲?這要從SMP(對稱多處理器)架構(gòu)說起

其意思是所有的CPU會共享一條系統(tǒng)總線(BUS),靠此總線連接主存。每個核都有自己的一級緩存,各核相對于BUS對稱分布,因此這種結(jié)構(gòu)稱為“對稱多處理器”。

而CAS的全稱為Compare-And-Swap,是一條CPU的原子指令,其作用是讓CPU比較后原子地更新某個位置的值,經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),其實現(xiàn)方式是基于硬件平臺的匯編指令,就是說CAS是靠硬件實現(xiàn)的,JVM只是封裝了匯編調(diào)用,那些AtomicInteger類便是使用了這些封裝后的接口。

Core1和Core2可能會同時把主存中某個位置的值Load到自己的L1 Cache中,當(dāng)Core1在自己的L1 Cache中修改這個位置的值時,會通過總線,使Core2中L1 Cache對應(yīng)的值“失效”,而Core2一旦發(fā)現(xiàn)自己L1 Cache中的值失效(稱為Cache命中缺失)則會通過總線從內(nèi)存中加載該地址最新的值,大家通過總線的來回通信稱為“Cache一致性流量”,因為總線被設(shè)計為固定的“通信能力”,如果Cache一致性流量過大,總線將成為瓶頸。而當(dāng)Core1和Core2中的值再次一致時,稱為“Cache一致性”,從這個層面來說,鎖設(shè)計的終極目標(biāo)便是減少Cache一致性流量。

而CAS恰好會導(dǎo)致Cache一致性流量,如果有很多線程都共享同一個對象,當(dāng)某個Core CAS成功時必然會引起總線風(fēng)暴,這就是所謂的本地延遲,本質(zhì)上偏向鎖就是為了消除CAS,降低Cache一致性流量。

3.2 偏向解除

偏向鎖引入的一個重要問題是,在多爭用的場景下,如果另外一個線程爭用偏向?qū)ο螅瑩碛姓咝枰尫牌蜴i,而釋放的過程會帶來一些性能開銷,但總體說來偏向鎖帶來的好處還是大于CAS代價的。

4、總結(jié)

關(guān)于鎖,JVM中還引入了一些其他技術(shù)比如鎖膨脹等,這些與自旋鎖、偏向鎖相比影響不是很大,這里就不做介紹。

通過上面的介紹可以看出,synchronized的底層實現(xiàn)主要依靠Lock-Free的隊列,基本思路是自旋后阻塞,競爭切換后繼續(xù)競爭鎖,稍微犧牲了公平性,但獲得了高吞吐量。

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作者:黑馬程序員JavaEE培訓(xùn)學(xué)院

首發(fā):http://java.itheima.com/

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