淺談一下Java中的幾種JVM級別的鎖
前言
根據摩爾定律，計算機的性能將繼續(xù)飆升，因為計算基礎設施的相關成本將隨著時間的推移繼續(xù)下降。
具體到CPU，已經從簡單的單核系統(tǒng)發(fā)展到多核系統(tǒng)，緩存性能也有了飛躍性的提升。隨著多核 CPU 的出現(xiàn)，計算機現(xiàn)在可以同時運行多個任務。
并且，隨著硬件開發(fā)的多項提升帶來的顯著效率提升，軟件層面的多線程編程已經成為必然趨勢。
然而，多線程編程也帶來了一些數(shù)據安全問題。
隨著所有這些趨勢的發(fā)展，業(yè)界已經認識到，當存在安全漏洞時，也必須有相應的防護措施。
順應這種趨勢，虛擬“鎖”被發(fā)明出來，以解決線程的安全問題。
在這篇文章中，我們將研究多年來出現(xiàn)的 Java 中幾種典型的 JVM 級鎖。
1、synchronized
synchronized 關鍵字是 Java 中經典且非常典型的鎖。
事實上，它也是最常用的一種。在 JDK 1.6 之前，“synchronized”是一個相當“重量級”的鎖。
不過隨著Java的更新升級，這個鎖也在不斷的優(yōu)化。
如今，這把鎖變得不那么“沉重”了。而且，事實上，在某些場景下，它的性能甚至優(yōu)于典型的輕量級鎖。
而且在帶有synchronized關鍵字的方法和代碼塊中，同一時刻只允許一個線程訪問特定的代碼段，防止多個線程并發(fā)修改同一塊數(shù)據。
1.1）鎖升級
在JDK 1.5（含）之前，synchronized關鍵字的底層實現(xiàn)比較重，因此被稱為“重量級鎖”。
不過在JDK 1.5之后，對“synchronized”鎖進行了各種改進，變得不那么重量級了。
因此，實現(xiàn)方法就是鎖升級過程。我們先看看JDK 1.5之后“同步”鎖是怎么實現(xiàn)的。
說到同步鎖的原理，首先要了解Java對象在內存中的布局。
如上圖所示，創(chuàng)建一個對象后，該對象在JVM HotSpot虛擬機的Java內存中的存儲布局可以分為三種。
1）對象頭
該區(qū)域存儲的信息分為兩部分。
對象本身的運行時數(shù)據（MarkWord）：該數(shù)據存儲hashCode、垃圾收集（GC）世代年齡、鎖類型標志、偏向鎖線程的ID、指向LockRecord的Compare and Swap（CAS）鎖指針的線程，除了其他信息。 synchronized鎖的機制與這部分（MarkWord）高度相關。 MarkWord 的最低三位表示鎖定狀態(tài)。對于這三個位，其中一個是偏向鎖定位，另外兩個是普通鎖定位。對象的類指針（Class Pointer）：對象的指針是指向其類元數(shù)據的指針。 JVM 使用它來確定實例的類。
2）實例數(shù)據區(qū)
該區(qū)域存放對象的有效信息，如對象中所有字段的內容。
3）對齊填充
JVM HotSpot的實現(xiàn)規(guī)定對象的起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。也就是說，64位操作系統(tǒng)一次讀取的數(shù)據是64位的整數(shù)倍，即8個字節(jié)。因此，HotSpot 進行“對齊”以高效地讀取對象。如果對象的實際內存大小不是 8 字節(jié)的整數(shù)倍，HotSpot 會將對象“填充”為 8 字節(jié)的整數(shù)倍。因此，對齊和填充區(qū)域的大小是動態(tài)的。
1.2）synchronized鎖升級
當線程進入synchronized狀態(tài)并嘗試獲取鎖時，synchronized鎖的升級過程如下。
總結一下，同步鎖的升級順序是：偏向鎖>輕量級鎖>重量級鎖。
The detailed triggering of lock upgrade in each step is as follows.
1）Biased Lock：（偏向鎖）
在 JDK 1.8 中，默認是輕量級鎖。但是，通過設置 -XX:BiasedLockingStartupDelay = 0，在同步對象后立即附加偏向鎖。當線程處于偏向鎖狀態(tài)時，MarkWord記錄當前線程的ID。
2）Upgrading to the Lightweight Lock：（升級到輕量級鎖） 當下一個線程競爭偏向鎖時，系統(tǒng)首先檢查MarkWord中存儲的線程ID是否與本線程的ID一致。如果不是，系統(tǒng)立即撤銷偏向鎖，升級為輕量級鎖。每個線程在自己的線程棧中生成一個LockRecord（LR）。然后，每個線程通過CAS操作（自旋）將鎖對象頭中的MarkWord設置為指向自己LR的指針。如果一個線程成功設置了MarkWord，那么該線程就獲得了鎖。因此，為“同步”執(zhí)行的 CAS 操作是通過 HotSpot 的 bytecodeInterpreter.cpp 文件中的 C++ 代碼完成的。
3）Upgrading to the Heavyweight Lock：（升級到重量級鎖）
如果鎖競爭加劇，比如線程自旋數(shù)或者自旋線程數(shù)超過了一個閾值，這個閾值是JVM自己控制的，對于1.6以后的JDK版本，鎖升級為重量級鎖。然后，重量級鎖向操作系統(tǒng)申請資源。
同時，該線程也被掛起，進入操作系統(tǒng)內核態(tài)的等待隊列，等待操作系統(tǒng)對其進行調度，映射回用戶態(tài)。在重量級鎖中，需要從內核態(tài)轉換到用戶態(tài)，這個過程需要比較長的時間，這也是它被定性為“重量級”的原因之一。
1.3）其他：
1）可重入性：
synchronized鎖內部有一個強制原子性的鎖機制，就是可重入鎖。當一個線程使用synchronized方法時，會調用該對象的另一個synchronized方法。即線程獲得對象鎖后，一旦再次請求該對象鎖，該線程總能獲得該鎖。在Java中，線程獲取對象鎖的操作是基于線程的，而不是基于調用的。
synchrnoized塊、語句中所對應的對象頭中的MarkWord記錄了鎖的線程持有者和計數(shù)器。當一個線程請求成功后，JVM記錄持有鎖的線程，并將計數(shù)置為1。此時，如果有另一個線程請求鎖，則該線程必須等待。
當持有鎖的線程再次請求鎖時，可以再次獲得鎖，計數(shù)隨之遞增。當線程退出同步方法或塊時，計數(shù)會遞減。最后，如果計數(shù)為 0，則釋放鎖。
2）Pessimistic Lock (Mutex and Exclusive Lock)：（悲觀鎖（互斥和排他鎖））
synchronized鎖是悲觀鎖，更確切地說是排他鎖。換句話說，如果當前線程獲得了鎖，任何其他需要鎖的線程都必須等待。鎖競爭繼續(xù)，直到持有鎖的線程釋放鎖。
2、ReentrantLock
ReentrantLock 和synchronized類似，但其實現(xiàn)方式與同步鎖有較大區(qū)別。具體來說，它是基于經典的AbstractQueueSyncronized（AQS）實現(xiàn)的。 AQS是基于volatile和CAS實現(xiàn)的。 AQS維護volatile類型的state變量來統(tǒng)計重入鎖的重入嘗試次數(shù)。同樣，加鎖和釋放鎖也是基于這個變量。 ReentrantLock提供了一些synchronized鎖所沒有的額外特性，所以比synchronized鎖要好。
2.1）ReentrantLock特性：
1）可重入：
ReentrantLock 和 synchronized 關鍵字一樣，都是支持重入的鎖。但是，它們的實現(xiàn)方法略有不同。 ReentrantLock通過AQS的狀態(tài)來判斷資源是否已經被鎖定。對于同一個線程，如果被鎖定，狀態(tài)值加1，如果被解鎖，狀態(tài)值減1。注意解鎖只對當前獨占線程有效，否則會出現(xiàn)異常。如果狀態(tài)值為0，則解鎖成功。
2）手動加鎖、解鎖：
synchronized 關鍵字自動鎖定和解鎖。相比之下，ReentrantLock 需要 lock() 和 unlock() 方法以及 try/finally 語句塊來手動鎖定和解鎖。
3）lock timeout：
synchronized 關鍵字不能設置鎖定超時時間。如果在獲取鎖的線程中發(fā)生死鎖，其他線程將保持阻塞狀態(tài)。 ReentrantLock 提供了 tryLock 方法，可以為獲得鎖的線程設置超時時間。如果超過超時時間，則跳過該線程，不執(zhí)行任何操作，從而防止死鎖。
4）Fair and Unfair Locks
synchronized 關鍵字是一種非公平鎖，第一個搶到鎖的線程先運行。通過在ReentrantLock的構造方法中設置true或false，可以實現(xiàn)公平鎖和非公平鎖。如果設置為true，線程需要遵循“先到先得”的規(guī)則。每次線程要獲取鎖時，都會構造一個線程節(jié)點，然后追加到雙向鏈表的“尾部”進行排隊，等待隊列中的前一個節(jié)點釋放鎖資源。
5）可中斷：
ReentrantLock 中的 lockInterruptibly() 方法允許線程在被阻塞時響應中斷。比如線程t1通過lockInterruptibly()方法獲得了一個ReentrantLock，運行了一個long task。其他線程可以使用interrupt()方法立即中斷線程t1的運行，獲得線程t1的ReentrantLock。但是，ReentrantLock的lock()方法或者有synchronized鎖的線程是不會響應其他線程的interrupt()方法的，直到這個方法主動釋放鎖。
2.2）ReentrantReadWriteLock
ReentrantReadWriteLock（讀寫鎖）其實就是兩把鎖，一把是WriteLock（寫鎖），一把是ReadLock（讀鎖）。讀寫鎖的規(guī)則是：read-read non-exclusive, read-write exclusive, and write-write exclusive。在一些實際場景中，讀的頻率遠高于寫的頻率。如果使用普通鎖進行并發(fā)控制，讀寫互斥，效率低下。
為了優(yōu)化這種場景下的運行效率，讀寫鎖應運而生?？偟膩碚f，獨占鎖的低效率來源于高并發(fā)下臨界區(qū)的激烈競爭，導致線程上下文切換。當并發(fā)不是很高的時候，讀寫鎖的效率可能會低于排他鎖，因為需要額外維護。因此，您需要根據實際情況選擇合適的鎖具。
ReentrantReadWriteLock也是基于AQS實現(xiàn)的。 ReentrantLock 和 ReentrantReadWriteLock 的區(qū)別在于后者具有共享鎖和排它鎖的屬性。讀寫鎖中的加鎖和解鎖是基于Sync的，繼承自AQS。主要由AQS中的state和node中的waitState變量實現(xiàn)。
讀寫鎖的實現(xiàn)與普通互斥鎖的主要區(qū)別在于需要分別記錄讀鎖狀態(tài)和寫鎖狀態(tài)，等待隊列需要區(qū)別對待這兩種鎖操作。在ReentrantReadWriteLock中，AQS中的int型狀態(tài)分為高16位和低16位分別記錄讀鎖和寫鎖狀態(tài)，如下圖。
1）The WriteLock (Write Lock) Is a Pessimistic Lock (Exclusive Lock or Mutex)
通過計算state&((1<<16)-1)，將state的高16位全部擦除。因此，狀態(tài)的低位記錄了寫鎖的重入次數(shù)。
下面是獲取寫鎖的源碼。
/**
* 獲取寫鎖
Acquires the write lock.
* 如果此時沒有任何線程持有寫鎖或者讀鎖，那么當前線程執(zhí)行CAS操作更新status，
* 若更新成功，則設置讀鎖重入次數(shù)為1，并立即返回
* <p>Acquires the write lock if neither the read nor write lock
* are held by another thread
* and returns immediately, setting the write lock hold count to
* one.
* 如果當前線程已經持有該寫鎖，那么將寫鎖持有次數(shù)設置為1，并立即返回
* <p>If the current thread already holds the write lock then the
* hold count is incremented by one and the method returns
* immediately.
* 如果該鎖已經被另外一個線程持有，那么停止該線程的CPU調度并進入休眠狀態(tài)，
* 直到該寫鎖被釋放，且成功將寫鎖持有次數(shù)設置為1才表示獲取寫鎖成功
* <p>If the lock is held by another thread then the current
* thread becomes disabled for thread scheduling purposes and
* lies dormant until the write lock has been acquired, at which
* time the write lock hold count is set to one.
*/
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
/**
* 該方法為以獨占模式獲取鎖，忽略中斷
* 如果調用一次該"tryAcquire"方法更新status成功，則直接返回，代表搶鎖成功
* 否則，將會進入同步隊列等待，不斷執(zhí)行"tryAcquire"方法嘗試CAS更新status狀態(tài)，直到成功搶到鎖
* 其中"tryAcquire"方法在NonfairSync(公平鎖)中和FairSync(非公平鎖)中都有各自的實現(xiàn)
*
* Acquires in exclusive mode, ignoring interrupts. Implemented
* by invoking at least once {@link #tryAcquire},
* returning on success. Otherwise the thread is queued, possibly
* repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
* #tryAcquire} until success. This method can be used
* to implement method {@link Lock#lock}.
*
* @param arg the acquire argument. This value is conveyed to
* {@link #tryAcquire} but is otherwise uninterpreted and
* can represent anything you like.
*/
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
/*
* Walkthrough:
* 1、如果讀寫鎖的計數(shù)不為0，且持有鎖的線程不是當前線程，則返回false
* 1. If read count nonzero or write count nonzero
* and owner is a different thread, fail.
* 2、如果持有鎖的計數(shù)不為0且計數(shù)總數(shù)超過限定的最大值，也返回false
* 2. If count would saturate, fail. (This can only
* happen if count is already nonzero.)
* 3、如果該鎖是可重入或該線程在隊列中的策略是允許它嘗試搶鎖，那么該線程就能獲取鎖
* 3. Otherwise, this thread is eligible for lock if
* it is either a reentrant acquire or
* queue policy allows it. If so, update state
* and set owner.
*/
Thread current = Thread.currentThread();
//獲取讀寫鎖的狀態(tài)
int c = getState();
//獲取該寫鎖重入的次數(shù)
int w = exclusiveCount(c);
//如果讀寫鎖狀態(tài)不為0，說明已經有其他線程獲取了讀鎖或寫鎖
if (c != 0) {
//如果寫鎖重入次數(shù)為0，說明有線程獲取到讀鎖，根據"讀寫鎖互斥"原則，返回false
//或者如果寫鎖重入次數(shù)不為0，且獲取寫鎖的線程不是當前線程，根據"寫鎖獨占"原則，返回false
// (Note: if c != 0 and w == 0 then shared count != 0)
if (w == 0 || current != getExclusiveOwnerThread())
return false;
//如果寫鎖可重入次數(shù)超過最大次數(shù)（65535），則拋異常
if (w + exclusiveCount(acquires) > MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//到這里說明該線程是重入寫鎖，更新重入寫鎖的計數(shù)(+1)，返回true
// Reentrant acquire
setState(c + acquires);
return true;
}
//如果讀寫鎖狀態(tài)為0,說明讀鎖和寫鎖都沒有被獲取，會走下面兩個分支：
//如果要阻塞或者執(zhí)行CAS操作更新讀寫鎖的狀態(tài)失敗，則返回false
//如果不需要阻塞且CAS操作成功，則當前線程成功拿到鎖，設置鎖的owner為當前線程，返回true
if (writerShouldBlock() ||
!compareAndSetState(c, c + acquires))
return false;
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}Source code for releasing the write lock:
/*
* Note that tryRelease and tryAcquire can be called by
* Conditions. So it is possible that their arguments contain
* both read and write holds that are all released during a
* condition wait and re-established in tryAcquire.
*/
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//若鎖的持有者不是當前線程，拋出異常
if (!isHeldExclusively())
throw new IllegalMonitorStateException();
//寫鎖的可重入計數(shù)減掉releases個
int nextc = getState() - releases;
//如果寫鎖重入計數(shù)為0了，則說明寫鎖被釋放了
boolean free = exclusiveCount(nextc) == 0;
if (free)
//若寫鎖被釋放，則將鎖的持有者設置為null，進行GC
setExclusiveOwnerThread(null);
//更新寫鎖的重入計數(shù)
setState(nextc);
return free;
}2）The ReadLock (Read Lock) Is a Shared Lock (Optimistic Lock)
通過計算無符號補零的狀態(tài)>>>16，引入了 16 個附加位。所以state的高位記錄了寫鎖的重入次數(shù)。
獲取讀鎖的過程比獲取寫鎖稍微復雜一些。首先系統(tǒng)判斷寫鎖的計數(shù)是否為0，當前線程沒有持有排他鎖。如果是，系統(tǒng)直接返回結果。如果不是，系統(tǒng)檢查讀線程是否需要阻塞，讀鎖數(shù)量是否小于閾值，設置狀態(tài)比較是否成功。
如果當前不存在讀取鎖，則設置第一個讀取線程的 firstReader 和 firstReaderHoldCount。如果當前線程是第一個讀取線程，則 firstReaderHoldCount 值遞增。否則，設置當前線程對應的HoldCounter對象的值。更新成功后，當前線程的重入計數(shù)記錄在當前線程副本中的firstReaderHoldCount的readHolds（ThreadLocal類型）中。這是為了實現(xiàn)JDK 1.6中新增的getReadHoldCount()方法。該方法可以獲得當前線程重新進入共享鎖的次數(shù)。即狀態(tài)中記錄了多個線程的總重入次數(shù)。
引入這個方法讓代碼復雜了很多，但是原理還是很簡單的：如果只有一個線程，則不需要使用ThreadLocal，直接將重入計數(shù)存儲在firstReaderHoldCount成員變量中即可。當另一個線程發(fā)生時，需要使用ThreadLocal變量，readHolds。每個線程都有自己的副本，用來保存自己的重入計數(shù)。
下面是獲取讀鎖的源碼：
/**
* 獲取讀鎖
* Acquires the read lock.
* 如果寫鎖未被其他線程持有，執(zhí)行CAS操作更新status值，獲取讀鎖后立即返回
* <p>Acquires the read lock if the write lock is not held by
* another thread and returns immediately.
*
* 如果寫鎖被其他線程持有，那么停止該線程的CPU調度并進入休眠狀態(tài)，直到該讀鎖被釋放
* <p>If the write lock is held by another thread then
* the current thread becomes disabled for thread scheduling
* purposes and lies dormant until the read lock has been acquired.
*/
public void lock() {
sync.acquireShared(1);
}
/**
* 該方法為以共享模式獲取讀鎖，忽略中斷
* 如果調用一次該"tryAcquireShared"方法更新status成功，則直接返回，代表搶鎖成功
* 否則，將會進入同步隊列等待，不斷執(zhí)行"tryAcquireShared"方法嘗試CAS更新status狀態(tài)，直到成功搶到鎖
* 其中"tryAcquireShared"方法在NonfairSync(公平鎖)中和FairSync(非公平鎖)中都有各自的實現(xiàn)
* (看這注釋是不是和寫鎖很對稱)
* Acquires in shared mode, ignoring interrupts. Implemented by
* first invoking at least once {@link #tryAcquireShared},
* returning on success. Otherwise the thread is queued, possibly
* repeatedly blocking and unblocking, invoking {@link
* #tryAcquireShared} until success.
*
* @param arg the acquire argument. This value is conveyed to
* {@link #tryAcquireShared} but is otherwise uninterpreted
* and can represent anything you like.
*/
public final void acquireShared(int arg) {
if (tryAcquireShared(arg) < 0)
doAcquireShared(arg);
}
protected final int tryAcquireShared(int unused) {
/*
* Walkthrough:
* 1、如果已經有其他線程獲取到了寫鎖，根據"讀寫互斥"原則，搶鎖失敗，返回-1
* 1.If write lock held by another thread, fail.
* 2、如果該線程本身持有寫鎖，那么看一下是否要readerShouldBlock，如果不需要阻塞，
* 則執(zhí)行CAS操作更新state和重入計數(shù)。
* 這里要注意的是，上面的步驟不檢查是否可重入(因為讀鎖屬于共享鎖，天生支持可重入)
* 2. Otherwise, this thread is eligible for
* lock wrt state, so ask if it should block
* because of queue policy. If not, try
* to grant by CASing state and updating count.
* Note that step does not check for reentrant
* acquires, which is postponed to full version
* to avoid having to check hold count in
* the more typical non-reentrant case.
* 3、如果因為CAS更新status失敗或者重入計數(shù)超過最大值導致步驟2執(zhí)行失敗
* 那就進入到fullTryAcquireShared方法進行死循環(huán)，直到搶鎖成功
* 3. If step 2 fails either because thread
* apparently not eligible or CAS fails or count
* saturated, chain to version with full retry loop.
*/
//當前嘗試獲取讀鎖的線程
Thread current = Thread.currentThread();
//獲取該讀寫鎖狀態(tài)
int c = getState();
//如果有線程獲取到了寫鎖 ，且獲取寫鎖的不是當前線程則返回失敗
if (exclusiveCount(c) != 0 &&
getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
//獲取讀鎖的重入計數(shù)
int r = sharedCount(c);
//如果讀線程不應該被阻塞，且重入計數(shù)小于最大值，且CAS執(zhí)行讀鎖重入計數(shù)+1成功，則執(zhí)行線程重入的計數(shù)加1操作，返回成功
if (!readerShouldBlock() &&
r < MAX_COUNT &&
compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
//如果還未有線程獲取到讀鎖，則將firstReader設置為當前線程，firstReaderHoldCount設置為1
if (r == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
//如果firstReader是當前線程，則將firstReader的重入計數(shù)變量firstReaderHoldCount加1
firstReaderHoldCount++;
} else {
//否則說明有至少兩個線程共享讀鎖，獲取共享鎖重入計數(shù)器HoldCounter
//從HoldCounter中拿到當前線程的線程變量cachedHoldCounter，將此線程的重入計數(shù)count加1
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
cachedHoldCounter = rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
}
return 1;
}
//如果上面的if條件有一個都不滿足，則進入到這個方法里進行死循環(huán)重新獲取
return fullTryAcquireShared(current);
}
/**
* 用于處理CAS操作state失敗和tryAcquireShared中未執(zhí)行獲取可重入鎖動作的full方法(補償方法？)
* Full version of acquire for reads, that handles CAS misses
* and reentrant reads not dealt with in tryAcquireShared.
*/
final int fullTryAcquireShared(Thread current) {
/*
* 此代碼與tryAcquireShared中的代碼有部分相似的地方，
* 但總體上更簡單，因為不會使tryAcquireShared與重試和延遲讀取保持計數(shù)之間的復雜判斷
* This code is in part redundant with that in
* tryAcquireShared but is simpler overall by not
* complicating tryAcquireShared with interactions between
* retries and lazily reading hold counts.
*/
HoldCounter rh = null;
//死循環(huán)
for (;;) {
//獲取讀寫鎖狀態(tài)
int c = getState();
//如果有線程獲取到了寫鎖
if (exclusiveCount(c) != 0) {
//如果獲取寫鎖的線程不是當前線程，返回失敗
if (getExclusiveOwnerThread() != current)
return -1;
// else we hold the exclusive lock; blocking here
// would cause deadlock.
} else if (readerShouldBlock()) {//如果沒有線程獲取到寫鎖，且讀線程要阻塞
// Make sure we're not acquiring read lock reentrantly
//如果當前線程為第一個獲取到讀鎖的線程
if (firstReader == current) {
// assert firstReaderHoldCount > 0;
} else { //如果當前線程不是第一個獲取到讀鎖的線程(也就是說至少有有一個線程獲取到了讀鎖)
//
if (rh == null) {
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) {
rh = readHolds.get();
if (rh.count == 0)
readHolds.remove();
}
}
if (rh.count == 0)
return -1;
}
}
/**
*下面是既沒有線程獲取寫鎖，當前線程又不需要阻塞的情況
*/
//重入次數(shù)等于最大重入次數(shù)，拋異常
if (sharedCount(c) == MAX_COUNT)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
//如果執(zhí)行CAS操作成功將讀寫鎖的重入計數(shù)加1，則對當前持有這個共享讀鎖的線程的重入計數(shù)加1，然后返回成功
if (compareAndSetState(c, c + SHARED_UNIT)) {
if (sharedCount(c) == 0) {
firstReader = current;
firstReaderHoldCount = 1;
} else if (firstReader == current) {
firstReaderHoldCount++;
} else {
if (rh == null)
rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current))
rh = readHolds.get();
else if (rh.count == 0)
readHolds.set(rh);
rh.count++;
cachedHoldCounter = rh; // cache for release
}
return 1;
}
}
}接下來是釋放讀鎖的源碼：
/**
* Releases in shared mode. Implemented by unblocking one or more
* threads if {@link #tryReleaseShared} returns true.
*
* @param arg the release argument. This value is conveyed to
* {@link #tryReleaseShared} but is otherwise uninterpreted
* and can represent anything you like.
* @return the value returned from {@link #tryReleaseShared}
*/
public final boolean releaseShared(int arg) {
if (tryReleaseShared(arg)) {//嘗試釋放一次共享鎖計數(shù)
doReleaseShared();//真正釋放鎖
return true;
}
return false;
}
/**
*此方法表示讀鎖線程釋放鎖。
*首先判斷當前線程是否為第一個讀線程firstReader，
*若是，則判斷第一個讀線程占有的資源數(shù)firstReaderHoldCount是否為1，
若是，則設置第一個讀線程firstReader為空，否則，將第一個讀線程占有的資源數(shù)firstReaderHoldCount減1；
若當前線程不是第一個讀線程，
那么首先會獲取緩存計數(shù)器（上一個讀鎖線程對應的計數(shù)器 ），
若計數(shù)器為空或者tid不等于當前線程的tid值，則獲取當前線程的計數(shù)器，
如果計數(shù)器的計數(shù)count小于等于1，則移除當前線程對應的計數(shù)器，
如果計數(shù)器的計數(shù)count小于等于0，則拋出異常，之后再減少計數(shù)即可。
無論何種情況，都會進入死循環(huán)，該循環(huán)可以確保成功設置狀態(tài)state
*/
protected final boolean tryReleaseShared(int unused) {
// 獲取當前線程
Thread current = Thread.currentThread();
if (firstReader == current) { // 當前線程為第一個讀線程
// assert firstReaderHoldCount > 0;
if (firstReaderHoldCount == 1) // 讀線程占用的資源數(shù)為1
firstReader = null;
else // 減少占用的資源
firstReaderHoldCount--;
} else { // 當前線程不為第一個讀線程
// 獲取緩存的計數(shù)器
HoldCounter rh = cachedHoldCounter;
if (rh == null || rh.tid != getThreadId(current)) // 計數(shù)器為空或者計數(shù)器的tid不為當前正在運行的線程的tid
// 獲取當前線程對應的計數(shù)器
rh = readHolds.get();
// 獲取計數(shù)
int count = rh.count;
if (count <= 1) { // 計數(shù)小于等于1
// 移除
readHolds.remove();
if (count <= 0) // 計數(shù)小于等于0，拋出異常
throw unmatchedUnlockException();
}
// 減少計數(shù)
--rh.count;
}
for (;;) { // 死循環(huán)
// 獲取狀態(tài)
int c = getState();
// 獲取狀態(tài)
int nextc = c - SHARED_UNIT;
if (compareAndSetState(c, nextc)) // 比較并進行設置
// Releasing the read lock has no effect on readers,
// but it may allow waiting writers to proceed if
// both read and write locks are now free.
return nextc == 0;
}
}
/**真正釋放鎖
* Release action for shared mode -- signals successor and ensures
* propagation. (Note: For exclusive mode, release just amounts
* to calling unparkSuccessor of head if it needs signal.)
*/
private void doReleaseShared() {
/*
* Ensure that a release propagates, even if there are other
* in-progress acquires/releases. This proceeds in the usual
* way of trying to unparkSuccessor of head if it needs
* signal. But if it does not, status is set to PROPAGATE to
* ensure that upon release, propagation continues.
* Additionally, we must loop in case a new node is added
* while we are doing this. Also, unlike other uses of
* unparkSuccessor, we need to know if CAS to reset status
* fails, if so rechecking.
*/
for (;;) {
Node h = head;
if (h != null && h != tail) {
int ws = h.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL) {
if (!compareAndSetWaitStatus(h, Node.SIGNAL, 0))
continue; // loop to recheck cases
unparkSuccessor(h);
}
else if (ws == 0 &&
!compareAndSetWaitStatus(h, 0, Node.PROPAGATE))
continue; // loop on failed CAS
}
if (h == head) // loop if head changed
break;
}
}通過分析可以看出，當一個線程持有讀鎖時，這個線程是無法獲取到寫鎖的，因為無論是否持有讀鎖，如果當前讀鎖被占用，它獲取寫鎖的嘗試都會失敗通過當前線程。
接下來，當一個線程持有寫鎖時，該線程可以繼續(xù)獲取讀鎖。在獲取讀鎖的過程中，如果寫鎖被占用，只有當前線程占用了寫鎖，才能獲取到讀鎖。
3、LongAdder
在高并發(fā)場景下，直接對Integer類型的整數(shù)進行i++并不能保證操作的原子性，導致線程安全問題。為此，我們在juc中使用了AtomicInteger，它是一個提供原子操作的Integer類。在內部，線程安全是通過 CAS 實現(xiàn)的。但是，當大量線程同時訪問一個鎖時，由于大量線程未能執(zhí)行CAS操作，就會發(fā)生自旋。
導致CPU資源消耗過大，執(zhí)行效率低下。 Doug Lea 對此并不滿意，于是他在 JDK 1.8 中對 CAS 進行了優(yōu)化，并提供了 LongAdder，它基于 CAS 段鎖的思想。
LongAdder是基于CAS和volatile實現(xiàn)的，由Unsafe提供。 LongAdder 的 Striped64 父類中維護了一個基變量和一個Cell數(shù)組。當多個線程對一個變量進行操作時，首先對這個基變量進行CAS操作。當檢測到其他線程時，將使用元胞數(shù)組。
例如，當即將更新 base 時，檢測到更多的線程。即casBase方法更新基值失敗，自動使用cell數(shù)組，每個線程對應一個cell，在每個線程中對cell進行CAS操作。
這樣就可以在多個值之間分擔單個值的更新壓力，降低單個值的“熱度”。也減少了大量線程的自旋，提高并發(fā)效率，分散并發(fā)壓力。這種段鎖需要額外的內存單元，但是在高并發(fā)場景下成本幾乎可以忽略不計。段鎖是一種杰出的優(yōu)化方法。 juc中的ConcurrentHashMap也是基于段鎖來保證讀寫的線程安全。
到此這篇關于淺談一下Java中的幾種JVM級別的鎖的文章就介紹到這了,更多相關JVM級別的鎖內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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