Java 1.6 的優(yōu)化

Java 1.6以后官方針對(duì)鎖的優(yōu)化，主要是增加了兩種新的鎖：偏向鎖和輕量級(jí)鎖。再加上本身重量級(jí)鎖，那么鎖基本上可以大致分為這三種，它們之間的區(qū)別主要是體現(xiàn)在等待時(shí)間上面。重量級(jí)鎖比較暴力，一旦某個(gè)資源被一個(gè)線(xiàn)程加了鎖，那么其他線(xiàn)程就不要再有任何想法了，必須等待其釋放資源才可以。如果時(shí)間較長(zhǎng)，就會(huì)造成程序卡頓，甚至崩潰掉，為了改進(jìn)加了兩個(gè)新鎖。這兩種新鎖的概念是如何優(yōu)化的呢，就需要弄清楚對(duì)象和monitor的關(guān)系。

對(duì)象頭結(jié)構(gòu)

任何一個(gè)實(shí)例對(duì)象都有一些共同的信息即對(duì)象頭、實(shí)例變量、填充數(shù)據(jù)。其中對(duì)象頭就是加鎖的基礎(chǔ)，其中存儲(chǔ)的就是加鎖的信息；實(shí)例變量就是存的屬性變量的信息，私有公有之類(lèi)的；填充數(shù)據(jù)則是數(shù)據(jù)的起始地址。我們要說(shuō)的還是對(duì)象頭，下面是對(duì)象頭結(jié)構(gòu)：

從對(duì)象頭的信息來(lái)看，Mark Word就是存放鎖信息的地方，一共有32位用來(lái)存放鎖信息，信息格式如下：

鎖的狀態(tài)

首先先解釋下上表中鎖狀態(tài)的含義：

無(wú)鎖狀態(tài)：沒(méi)有加鎖，屬于樂(lè)觀鎖，鎖標(biāo)記01。

偏向鎖：在對(duì)象第一次被某一線(xiàn)程占有的時(shí)候，會(huì)檢查偏向鎖標(biāo)記，然后把偏向鎖標(biāo)記置1，表示線(xiàn)程被占用使用的是偏向鎖，鎖標(biāo)記置為01。接著寫(xiě)入線(xiàn)程ID，表示當(dāng)前對(duì)象被哪個(gè)ID的線(xiàn)程占有了。當(dāng)此線(xiàn)程占有期間，其他的線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)候，就會(huì)有線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)。如果競(jìng)爭(zhēng)成功，使用資源；如果競(jìng)爭(zhēng)失敗則等待下次競(jìng)爭(zhēng)，偏向鎖是輕量級(jí)鎖，屬于樂(lè)觀鎖。所謂的偏向鎖，會(huì)比較傾向于首次占有的線(xiàn)程，也就是說(shuō)兩個(gè)線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)，第一次占有的線(xiàn)程會(huì)有比較大的概率分配到資源，這也就是偏向鎖名稱(chēng)的由來(lái)：會(huì)偏向于首先占有該資源的線(xiàn)程。那么當(dāng)前線(xiàn)程一旦具有優(yōu)先權(quán)，其他線(xiàn)程很可能長(zhǎng)久無(wú)法獲取資源，為了改進(jìn)這樣一個(gè)狀態(tài)，很多時(shí)候會(huì)采用大名鼎鼎非阻塞算法Compare and Swap(CAS)算法。正是因?yàn)檫@種特性，偏向鎖更加適合用于競(jìng)爭(zhēng)不激烈的時(shí)候。由于偏向鎖會(huì)不斷地和無(wú)鎖狀態(tài)進(jìn)行切換，因此兩者使用時(shí)間也是接近的。

輕量級(jí)鎖：一般在線(xiàn)程有交替時(shí)使用。當(dāng)偏向鎖算法CAS競(jìng)爭(zhēng)失敗，就會(huì)修改偏向鎖標(biāo)記為00，升級(jí)為輕量級(jí)鎖，屬于樂(lè)觀鎖。

重量級(jí)鎖：強(qiáng)互斥，鎖住資源后不允許其他線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)，其他線(xiàn)程要想訪(fǎng)問(wèn)必須等待資源釋放，等待時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)某資源已經(jīng)處于輕量級(jí)鎖的時(shí)候，會(huì)有別的線(xiàn)程前來(lái)競(jìng)爭(zhēng)，繼續(xù)競(jìng)爭(zhēng)失敗，則會(huì)修改標(biāo)記為10，變?yōu)橹亓考?jí)鎖，屬于悲觀鎖。

自旋鎖與鎖消除

鎖的升級(jí)也是要消耗時(shí)間的，尤其是不同等級(jí)之間的轉(zhuǎn)換消耗的時(shí)間更多。而輕量級(jí)鎖轉(zhuǎn)換成重量級(jí)鎖則是用戶(hù)線(xiàn)程和核心線(xiàn)程（操作系統(tǒng)本身的線(xiàn)程）之間的轉(zhuǎn)換非常耗時(shí)，所以我們要盡量減少這種轉(zhuǎn)換，所以有了這樣一種概念：當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)失敗的時(shí)候，先不著急進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而是等待一會(huì)兒，由于線(xiàn)程執(zhí)行的非常快，可能還沒(méi)有升級(jí)到重量級(jí)鎖的時(shí)候，資源就已經(jīng)被釋放了。正是基于這樣一種邏輯，就有了自旋鎖這一概念。

自旋鎖：當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)失敗的時(shí)候，不是馬上轉(zhuǎn)化級(jí)別，而是執(zhí)行幾次空循環(huán)，如果執(zhí)行空循環(huán)的時(shí)候，占有線(xiàn)程釋放了資源，那么就不需要進(jìn)行鎖的升級(jí)，直接進(jìn)行占用線(xiàn)程執(zhí)行就好了因此自旋鎖只是一種概念，并不是真正的鎖。

鎖消除： Java的即時(shí)編譯編譯器（JIT）在編譯的時(shí)候把不必要的鎖去掉。比如下面代碼，用來(lái)給變量a賦值，就完全沒(méi)有必要加鎖，因此這個(gè)synchronized在編譯的時(shí)候會(huì)被消去。

synchronized(this){
    int a=1;
}

鎖的升級(jí)

除了上面所說(shuō)，還要明白一個(gè)概念，鎖永遠(yuǎn)都會(huì)加載對(duì)象(或者說(shuō)堆中的資源上)上而不是線(xiàn)程上。所以升級(jí)過(guò)程為如下的步驟：

假設(shè)：線(xiàn)程A訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象資源A則此時(shí)立刻對(duì)資源A加上偏向鎖保證線(xiàn)程A訪(fǎng)問(wèn)資源A，且線(xiàn)程ID會(huì)被置為線(xiàn)程A。如果線(xiàn)程B來(lái)競(jìng)爭(zhēng)，此時(shí)偏向鎖不會(huì)主動(dòng)釋放，線(xiàn)程B可以看到該鎖并知曉資源A已經(jīng)被線(xiàn)程A使用，于是檢查此時(shí)資源A是否被線(xiàn)程A使用（即線(xiàn)程A是否還存活），那么：

1. 如果線(xiàn)程A已經(jīng)銷(xiāo)毀，則資源A分配給線(xiàn)程B，即分配偏向鎖給線(xiàn)程B并把線(xiàn)程ID置為線(xiàn)程B。
2. 如果線(xiàn)程A沒(méi)有銷(xiāo)毀，則檢查線(xiàn)程A的操作棧，檢查資源A的使用情況：
   • 如果線(xiàn)程A仍然在使用資源A，則把資源A升級(jí)為輕量級(jí)鎖，保證線(xiàn)程A的使用；
   • 如果資源A已經(jīng)不再使用，已經(jīng)被線(xiàn)程A釋放了，則資源A分配給線(xiàn)程B，后續(xù)同1。
3. 資源A已經(jīng)由于競(jìng)爭(zhēng)，升級(jí)為輕量級(jí)鎖（此時(shí)資源A依然是被線(xiàn)程A使用），線(xiàn)程B仍然需要競(jìng)爭(zhēng)資源A。 因?yàn)檩p量級(jí)鎖會(huì)被認(rèn)為競(jìng)爭(zhēng)程度低，所以線(xiàn)程B被允許嘗試競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)線(xiàn)程B再次發(fā)現(xiàn)資源A被輕量級(jí)鎖鎖住時(shí)，線(xiàn)程B會(huì)進(jìn)入自旋狀態(tài)或者說(shuō)自旋鎖（即空轉(zhuǎn)一定時(shí)間，比如空的循環(huán)等等，等待資源A被釋放）。此時(shí)認(rèn)為資源A會(huì)很快被釋放，所以線(xiàn)程B進(jìn)入空轉(zhuǎn)等待資源A。
4. 但是當(dāng)自旋超過(guò)一定次數(shù)，或者線(xiàn)程C在線(xiàn)程B自旋時(shí)，也來(lái)請(qǐng)求資源A，則資源A的輕量級(jí)鎖被升級(jí)為重量級(jí)鎖。由于重量級(jí)鎖能夠使得除了擁有當(dāng)前資源的線(xiàn)程以外的線(xiàn)程都阻塞，等待資源的釋放。所以此時(shí)資源A和線(xiàn)程A被重量級(jí)鎖綁在一起，不會(huì)釋放給線(xiàn)程B、線(xiàn)程C，因此線(xiàn)程B和線(xiàn)程C必須等待線(xiàn)程A釋放資源A以后在進(jìn)行新的競(jìng)爭(zhēng)

說(shuō)完這些，可能大家會(huì)有個(gè)疑問(wèn)：為什么要進(jìn)行鎖的升級(jí)？假如很多線(xiàn)程都是處于輕量級(jí)上，都處于自旋狀態(tài)，那么其中正在運(yùn)行一個(gè)線(xiàn)程以及釋放鎖了，但是此時(shí)有很多線(xiàn)程在自旋，都在相互競(jìng)爭(zhēng)?？赡茉斐伤械木€(xiàn)程都會(huì)一直自旋下去，CPU空轉(zhuǎn)。為了阻止CPU空轉(zhuǎn)，所以用重量級(jí)鎖把除了正在運(yùn)行的線(xiàn)程以外的所有線(xiàn)程阻塞，保證不會(huì)有新的競(jìng)爭(zhēng)。但是要注意的是鎖是由低到高的升級(jí)，而且只會(huì)升級(jí)，而不會(huì)降級(jí)。因?yàn)榧幢闶侵亓考?jí)鎖一旦占有線(xiàn)程釋放了，就直接是無(wú)鎖狀態(tài)，不存在一層一層降級(jí)的過(guò)程。

鎖的重入性

當(dāng)有些時(shí)候必須對(duì)某個(gè)資源進(jìn)行二次加鎖也是可以的，比如下面這段代碼做了多重加鎖。

這樣也是可以的，之前的博客中說(shuō)過(guò)Java中每一個(gè)對(duì)象都有一個(gè)monitor對(duì)象，也就是一個(gè)監(jiān)視器，加鎖就是通過(guò)這個(gè)監(jiān)視器去加鎖。

當(dāng)某一個(gè)線(xiàn)程要占有這個(gè)對(duì)象的時(shí)候，先去檢查monitor對(duì)象的計(jì)數(shù)器是不是0，如果是0表示沒(méi)有線(xiàn)程占有這個(gè)對(duì)象，則成功占有這個(gè)對(duì)象，并且對(duì)這個(gè)對(duì)象的monitor計(jì)數(shù)器+1。

如果不為0，則說(shuō)明這個(gè)對(duì)象已經(jīng)被別的線(xiàn)程占用，那么就等待。當(dāng)線(xiàn)程釋放某個(gè)對(duì)象的占有時(shí)monitor的計(jì)數(shù)器-1。

注意這里是減一不是置0，也就是說(shuō)同一線(xiàn)程可以對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行多次加鎖，進(jìn)行不斷地+1、+1，這個(gè)就是線(xiàn)程的重入性。

public synchronized void methodName3(){
    synchronized (this){
        // code ......
        synchronized (this){		//加鎖的對(duì)象不同也可以，但是要避免對(duì)象交叉造成的死鎖
            // code ......
            synchronized (this){
                // code ......
            }
        }
    }
}

悲觀鎖與樂(lè)觀鎖

悲觀鎖：一般指寫(xiě)操作比較多，包括增刪改，讀操作(查)比較少的鎖。也指不允許競(jìng)爭(zhēng)的鎖，遇到必須等待。

樂(lè)觀鎖：一般指讀(查)操作比較多，但是寫(xiě)操作比較少的鎖。也指可以競(jìng)爭(zhēng)的鎖，可以嘗試競(jìng)爭(zhēng)。 因此很多時(shí)候悲觀鎖一般要加鎖，樂(lè)觀鎖一般只用版本控制，讀取到最新的數(shù)據(jù)即可。只是一個(gè)概念，并不特地指某種所。

公平鎖與非公平鎖

公平鎖：其實(shí)就是排隊(duì)，先來(lái)先得FIFO的邏輯，因此每個(gè)鎖都是公平的。

非公平鎖：就是采用一定的算法或者優(yōu)先度去對(duì)線(xiàn)程拿到鎖的順序進(jìn)行調(diào)整，因此每個(gè)鎖并不是公平獲取資源的。 這兩個(gè)鎖各有優(yōu)缺點(diǎn)，使用誰(shuí)要看具體需求，比如緊急剎車(chē)作為一個(gè)功能來(lái)說(shuō)，就必須用非公平鎖。

死鎖

當(dāng)由加鎖導(dǎo)致A線(xiàn)程等B線(xiàn)程釋放資源，B線(xiàn)程等A線(xiàn)程釋放資源，結(jié)果線(xiàn)程A和線(xiàn)程B都無(wú)法獲取資源導(dǎo)致，程序卡死在這里的情況就是死鎖。

總結(jié)

本篇延續(xù)著synchronized關(guān)鍵字的部分內(nèi)容，對(duì)鎖的概念、鎖的原理以及鎖的升級(jí)，進(jìn)行了一個(gè)剖析，希望能夠?qū)Ω魑焕斫釰ava中的鎖有所幫助。

到此這篇關(guān)于Java中的鎖與鎖的狀態(tài)升級(jí)詳細(xì)解讀的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java鎖與鎖的狀態(tài)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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