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Java中的自旋鎖與適應(yīng)性自旋鎖詳解

更新時(shí)間：2023年10月13日 09:11:02 作者：yyangjun

這篇文章主要介紹了Java中的自旋鎖與適應(yīng)性自旋鎖詳解,在多處理器環(huán)境中某些資源的有限性,有時(shí)需要互斥訪問,這時(shí)候就需要引入鎖的概念,只有獲取了鎖的線程才能對(duì)資源進(jìn)行訪問,多線程的核心是CPU的時(shí)間分片,所以同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程獲取到鎖,需要的朋友可以參考下

一、為什么需要自旋鎖與適應(yīng)性自旋鎖

1.1、自旋鎖的提出背景

由于在多處理器環(huán)境中某些資源的有限性，有時(shí)需要互斥訪問，這時(shí)候就需要引入鎖的概念，只有獲取了鎖的線程才能對(duì)資源進(jìn)行訪問，由于多線程的核心是CPU的時(shí)間分片，所以同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程獲取到鎖。那么就面臨一個(gè)問題，那么沒有獲取到鎖的線程應(yīng)該怎么辦？

通常有兩種處理方式：

一種是沒有獲取到鎖的線程就一直循環(huán)等待判斷該資源是否已經(jīng)釋放鎖，這種鎖叫做自旋鎖，它不用將線程阻塞起來(lái)(NON-BLOCKING)；
還有一種處理方式就是把自己阻塞起來(lái)，等待重新調(diào)度請(qǐng)求，這種叫做互斥鎖。

使用自旋鎖的最大的一個(gè)好處是因?yàn)樽孕i存在于linux內(nèi)核中，如果持有鎖的線程能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放鎖，那么那些等待競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程就不需要做內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)之間的切換從而進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

二、自旋鎖與適應(yīng)性自旋鎖底層原理解析

2.1、自旋鎖與適應(yīng)性自旋鎖底層原理解析

自旋鎖早在JDK1.4 中就引入了，只是當(dāng)時(shí)默認(rèn)時(shí)關(guān)閉的。在JDK 1.6后默認(rèn)為開啟狀態(tài)。自旋鎖本質(zhì)上與阻塞并不相同，先不考慮其對(duì)多處理器的要求，如果鎖占用的時(shí)間非常的短，那么自旋鎖的性能會(huì)非常的好，相反，其會(huì)帶來(lái)更多的性能開銷(因?yàn)樵诰€程自旋時(shí)，始終會(huì)占用CPU的時(shí)間片，如果鎖占用的時(shí)間太長(zhǎng)，那么自旋的線程會(huì)白白消耗掉CPU資源)。

因此自旋等待的時(shí)間必須要有一定的限度，如果自旋超過了限定的次數(shù)仍然沒有成功獲取到鎖，就應(yīng)該使用傳統(tǒng)的方式去掛起線程了，在JDK定義中，自旋鎖默認(rèn)的自旋次數(shù)為10次，用戶可以使用參數(shù)-XX:PreBlockSpin來(lái)更改。

可是現(xiàn)在又出現(xiàn)了一個(gè)問題：如果線程鎖在線程自旋剛結(jié)束就釋放掉了鎖，那么是不是有點(diǎn)得不償失。所以這時(shí)候我們需要更加聰明的鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)更加靈活的自旋。來(lái)提高并發(fā)的性能。(這里則需要自適應(yīng)自旋鎖！) 在JDK 1.6中引入了自適應(yīng)自旋鎖。

這就意味著自旋的時(shí)間不再固定了，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定的。如果在同一個(gè)鎖對(duì)象上，自旋等待剛剛成功獲取過鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行中，那么JVM會(huì)認(rèn)為該鎖自旋獲取到鎖的可能性很大，會(huì)自動(dòng)增加等待時(shí)間。比如增加到100此循環(huán)。相反，如果對(duì)于某個(gè)鎖，自旋很少成功獲取鎖。

那再以后要獲取這個(gè)鎖時(shí)將可能省略掉自旋過程，以避免浪費(fèi)處理器資源。有了自適應(yīng)自旋，JVM對(duì)程序的鎖的狀態(tài)預(yù)測(cè)會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確，JVM也會(huì)越來(lái)越聰明。

三、自旋鎖與適應(yīng)性自旋鎖的使用

3.1、自旋鎖的實(shí)現(xiàn)

public class SpinLockTest {
	private AtomicBoolean available =new AtomicBoolean(false);
	public void lock(){
	    //循環(huán)檢測(cè)嘗試獲取鎖
	    while(!tryLock()){
	    //doSomething...
	    }
	}
    public boolean tryLock(){
    	//嘗試獲取鎖，成功返回true,失敗返回false
    	return available.compareAndSet(false,true);
    }
    public void unLock(){
    	if(!available.compareAndSet(false,true)){
    		throw new RuntimeException("釋放鎖失敗");
    	}
    }
}

3.2、適應(yīng)性自旋鎖的實(shí)現(xiàn)

自旋等待雖然避免了線程切換的開銷，但它要占用處理器時(shí)間。如果鎖被占用的時(shí)間很短，自旋等待的效果就會(huì)非常好。反之，如果鎖被占用的時(shí)間很長(zhǎng)，那么自旋的線程只會(huì)白浪費(fèi)處理器資源。所以，自旋等待的時(shí)間必須要有一定的限度，如果自旋超過了限定次數(shù)（默認(rèn)是10次，可以使用-XX:PreBlockSpin來(lái)更改）沒有成功獲得鎖，就應(yīng)當(dāng)掛起線程。

自旋鎖的實(shí)現(xiàn)原理同樣也是CAS，AtomicInteger中調(diào)用unsafe進(jìn)行自增操作的源碼中的do-while循環(huán)就是一個(gè)自旋操作，如果修改數(shù)值失敗則通過循環(huán)來(lái)執(zhí)行自旋，直至修改成功。改進(jìn)的自旋鎖主要有TicketLock、CLHLock、MCSLock，這幾種自旋鎖改進(jìn)方案內(nèi)容比較多，實(shí)現(xiàn)方式參考幾種自旋鎖的java實(shí)現(xiàn)824b2e4f1eed

四、自旋鎖與適應(yīng)性自旋鎖中存在的問題與優(yōu)化方案

自旋鎖盡可能的減少線程的阻塞，這對(duì)于鎖的競(jìng)爭(zhēng)不激烈，且占用鎖時(shí)間非常短的代碼塊來(lái)說性能可以大幅度提升，因?yàn)樽孕南臅?huì)小于線程阻塞掛起再喚醒的操作的消耗，這些操作會(huì)導(dǎo)致線程發(fā)生兩次上下文切換!

但是如果鎖的競(jìng)爭(zhēng)激烈，或者持有鎖的線程需要長(zhǎng)時(shí)間占用鎖執(zhí)行同步塊，這時(shí)候就不適合使用自旋鎖了，因?yàn)樽孕i在獲取鎖前一直都是占用cpu做無(wú)用功，同時(shí)有大量線程在競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)鎖，會(huì)導(dǎo)致獲取鎖的時(shí)間很長(zhǎng)，線程自旋的消耗大于線程阻塞掛起操作的消耗，其它需要cup的線程又不能獲取到cpu，造成 cpu的浪費(fèi)。所以這種情況下我們要關(guān)閉自旋鎖；自旋鎖時(shí)間閾值(1.6 引入了適應(yīng)性自旋鎖)。

自旋鎖的目的是為了占著CPU的資源不釋放，等到獲取到鎖立即進(jìn)行處理。但是如何去選擇自旋的執(zhí)行時(shí)間呢？如果自旋執(zhí)行時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)有大量的線程處于自旋狀態(tài)占用CPU資源，進(jìn)而會(huì)影響整體系統(tǒng)的性能。因此自旋的周期選的額外重要！

JVM 對(duì)于自旋周期的選擇，Jdk1.5這個(gè)限度是一定的寫死的，在1.6引入了適應(yīng)性自旋鎖，適應(yīng)性自旋鎖意味著自旋的時(shí)間不在是固定的了，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間以及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定，基本認(rèn)為一個(gè)線程上下文切換的時(shí)間是最佳的一個(gè)時(shí)間，同時(shí)JVM還針對(duì)當(dāng)前CPU的負(fù)荷情況做了較多的優(yōu)化，如果平均負(fù)載小于CPUs則一直自旋，如果有超過(CPUs/2)個(gè)線程正在自旋，則后來(lái)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(shí)間(自旋計(jì)數(shù))或進(jìn)入阻塞，如果 CPU 處于節(jié)電模式則停止自旋，自旋時(shí)間的最壞情況是CPU的存儲(chǔ)延遲(CPU A 存儲(chǔ)了一個(gè)數(shù)據(jù)，到CPU B得知這個(gè)數(shù)據(jù)直接的時(shí)間差)，自旋時(shí)會(huì)適當(dāng)放棄線程優(yōu)先級(jí)之間的差異。

到此這篇關(guān)于Java中的自旋鎖與適應(yīng)性自旋鎖詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java中的自旋鎖內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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