JAVA多線程的初級認識4-鎖的基本認識

Java中多線程的技術必然要了解的必然是鎖~鎖保證多線程的數據安全。所以不多說進入主題。

最輕量級的鎖Volatile

當然這是因爲它只能修飾變量，而且相對於synchronized關鍵字輕量了很多~

對於變量增加了volatile的修飾，表示該數據的寫和讀都直接同步到主內存，所以保證該變量的任何修改對於其他線程是可見的。

我們可以查看關於修飾volatile變量的編譯文件和指令，可以看出~裏面會有一個lock的彙編指令。具體實現是通過內存屏障，具體如圖：

同時volatile還有一個功能就是防止指令重排序。java代碼到最終執行的機器碼要經過幾次指令排序~如下圖：

但是volatile有些時候可能會導致誤用，比如
volatile int i=0;

{
    i++;
}

這段代碼再多線程的時候可能會出現問題~具體原因是i++非原子操作。可能存在覆蓋的情況

synchronized

這個關鍵字應該很不陌生。Java 1.6之後~由於synchronized的鎖太重性能很是問題，所以升級爲偏向鎖，輕量鎖，重量鎖，根據不同情況使用不同鎖。

作用範圍

1. 修飾實例方法
   表示對於當前實例加鎖，進入任何該對象實例修飾的代碼塊均需要提前獲得鎖。
2. 修飾靜態方法
   表示對於該類進行加鎖，進入該類修飾的代碼塊需要獲取當前類的鎖。
3. 修飾代碼塊
   指定加鎖對象，進入加鎖對象的代碼塊~需要提前獲得該對象鎖

鎖的存儲

由於所是鎖資源對象~所以要了解一下對象在堆上的存儲。一共分爲三個區域對象頭(header)，示例數據(instanceData),和對齊填充(padding)。如圖：

通過cpp源碼可以瞭解到~一個對象的創建都會創建一個instanceOopDesc(數組是arrayOopDesc)在文件instanceOop.hpp裏面。

可以看到它集成了oopDesc，而oopDesc裏面包含兩個成員變量(_mark,_metadata).其中_mark是markOop類型，也就是所謂的Mark World。記錄了對象和鎖相關的數據。

MarkWorld

markOop類型記錄在markOop.hpp文件中，如下：

該部分記錄了和鎖相關的所有信息~MarkWorld具體會有5種情況：

鎖的類型

1.6後鎖的類型分爲無鎖，偏向鎖，輕量鎖，重量鎖。

偏向鎖

最簡單的鎖，支持重入，場景：經常是單線程進行鎖定~即在對象_mark中通過CAS標記爲偏向鎖，同時將線程ID記錄在對象中即可。流程如下：

可以通過JVM參數 UseBiasedLocking來控制是否開啓。
當通過CAS失敗獲取偏向鎖的時候，就會升級爲輕量鎖

輕量級鎖

當偏向鎖存在競爭的時候，即CAS設置偏向鎖的時候失敗，那麼失敗的線程將進行自旋操作(自旋鎖)。自旋鎖即採用for循環，不斷的去進行獲取鎖的操作，所以針對同步代碼塊執行快的操作，是ok的。但是如果過長，則會造成cpu資源的浪費。
輕量級鎖的更新流程：

而鎖對象的markWorld也進行相應的更改

• 線程在自己的棧裏面創建LockRecord
• 將鎖對象的markWorld複製過來
• 將LockRecord的owner指針指向鎖對象
• 將鎖對象的MarkWorld替換爲指向LockRecord的指針
  如下圖：
  
  隨後更改後：
  
  可以通過JVM參數preBlockSpin來控制自旋數量
  當CAS設置鎖對象的MarkWorld失敗的時候，就會膨脹微重量級鎖。

重量級鎖

重量級鎖就是1.5之前的synchronized鎖~通過java -p看class信息可以看出指令即monitorenter和monitorexit來控制鎖的加鎖和釋放。

所有的Java Object天生攜帶一個monitor，可以認爲是一個同步對象，通過對於對象監視器的爭搶修改鎖標誌從而進行多線程同步。在markOop.hpp源碼可以看到：

monitor的操作依賴於操作系統的MutexLock(互斥鎖)來實現的，線程一旦被阻塞，那麼就會從用戶態切換到內核調度狀態。頻繁的內核態和用戶態的切換回影響鎖的性能。鎖競爭monitor的邏輯如下圖：

最後貼一張基於wait和notify的鎖加入和釋放的圖：

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