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Java中的synchronized重量級(jí)鎖解析

更新時(shí)間：2024年01月10日 08:56:45 作者：愛(ài)coding的同學(xué)

這篇文章主要介紹了Java中的synchronized重量級(jí)鎖解析,內(nèi)核需要去申請(qǐng)這個(gè)互斥量,必須要進(jìn)入內(nèi)核態(tài),也就是這里需要用戶態(tài),內(nèi)核態(tài)的切換,狀態(tài)的切換,開銷是比較大的,這就是重型鎖的一個(gè)弊端,需要的朋友可以參考下

1. 背景

在JDK1.6以前，synchronized 的工作方式都是這種重量級(jí)的鎖。它的實(shí)現(xiàn)原理就是利用 kernel 中的互斥量,mutex。主要是內(nèi)核中的mutex 能夠保證它是一個(gè)互斥的量。如果線程1拿到了 mutex,那么線程2就拿不到了。這是內(nèi)核幫我們保證的。

至于為什么可以，可以去了解一下內(nèi)核中的互斥量。

2. 為啥叫做重量級(jí)鎖

內(nèi)核需要去申請(qǐng)這個(gè)互斥量，必須要進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。也就是這里需要用戶態(tài)，內(nèi)核態(tài)的切換。狀態(tài)的切換，開銷是比較大的。這就是重型鎖的一個(gè)弊端。對(duì)于重型鎖的一些主要的封裝都是在 c 語(yǔ)言中的 pthread 這樣一個(gè)庫(kù)中，比如mutex_init, mutex_lock 等。之所以叫重量級(jí)鎖，就是因?yàn)樾枰M(jìn)入到內(nèi)核態(tài)。

3. 能否在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)一把互斥鎖

我們不需要進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)就能夠獲取到這樣的一把鎖，也就是在用戶態(tài)就可以實(shí)現(xiàn)一把鎖。

比如說(shuō)，現(xiàn)在就有一把鎖，就叫做 state。0:表示未被使用，1 表示鎖被占用了。

lock 的實(shí)現(xiàn)

在這里插入圖片描述

如果鎖當(dāng)前是被占用的狀態(tài)，那么程序就一直死循環(huán)。如果某個(gè)時(shí)刻，有一個(gè)線程把鎖釋放了，那么就退出死循環(huán)，執(zhí)行下一行 state = 1。而且持有者=當(dāng)前線程。也就是 state = 0的時(shí)候，就可以任務(wù)當(dāng)前線程可以拿到這把鎖了。

unlock 的實(shí)現(xiàn)

在這里插入圖片描述

釋放鎖的時(shí)候，首先需要判斷一下當(dāng)前持有鎖的線程是不是當(dāng)前線程。如果是當(dāng)前線程，那么就將 state 置為0，持有者 = null。

當(dāng)前設(shè)計(jì)方式存在的問(wèn)題

while(state==1); state = 1;其實(shí)可以認(rèn)為這個(gè)是比較賦值倆步操作，先比較，符合條件了，再進(jìn)行賦值。那么其實(shí)這不是原子性的。比如說(shuō)在比較的時(shí)候，倆個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行了比較，這倆個(gè)線程同時(shí)發(fā)現(xiàn)state = 0，那么這倆個(gè)線程同時(shí)都去會(huì)執(zhí)行 state = 1的操作，這倆個(gè)線程都認(rèn)為自己拿到了鎖，那么這個(gè)就產(chǎn)生了并發(fā)的問(wèn)題了。

如何改進(jìn)這個(gè)問(wèn)題呢？

我們看到比較和賦值不是原子性的，在軟件層面，我們也無(wú)法保證這倆步的原子性。所以，計(jì)算機(jī)給我們提供了原語(yǔ)，也就是 CAS。=

在這里插入圖片描述

那么我們來(lái)看一下如何改進(jìn)呢？我們把比較賦值這倆步操作，變成了一個(gè)原語(yǔ)操作，CAS。比較并交換。CAS中有三個(gè)參數(shù)，cas(state,0,1)。比較state的當(dāng)前值是不是0，如果是0，那么就賦值為1。

在這里插入圖片描述

再看看一下 unlock的操作。在unlock操作中，其實(shí)也是一個(gè)比較賦值的操作，首先判斷當(dāng)前持有者是不是當(dāng)前線程，如果是，再進(jìn)行賦值。

那為什么這里不需要用cas呢？因?yàn)楸囟ㄊ浅钟墟i的線程才能執(zhí)行到下一行。

而且賦值操作中，先賦值持有者 = null。再賦值 state = 0。

因?yàn)槿绻葓?zhí)行 state = 0, 那么就相當(dāng)于先釋放掉這把鎖了，另外一個(gè)線程就會(huì)執(zhí)行 lock 成功，拿到鎖，持有者 = 當(dāng)前線程。

那么就可能會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。因?yàn)榇藭r(shí)釋放掉的鎖并不是當(dāng)前線程持有的鎖。

這種鎖也叫做自旋鎖。

自旋鎖的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

自旋鎖，spinLock。自旋鎖不需要進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)，整個(gè)程序的執(zhí)行都是在用戶態(tài)的，包括cas。但是cas不是計(jì)算機(jī)的原語(yǔ)嗎？因?yàn)橛?jì)算機(jī)的指令和用戶態(tài)，內(nèi)核態(tài)沒(méi)有關(guān)系。

自旋鎖當(dāng)然也有缺點(diǎn)。 lock 操作如果一直沒(méi)有拿到鎖的話，會(huì)一直嘗試。這是需要消耗cpu資源的。所以自旋鎖對(duì)于鎖競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的情況下，是不適用的。