線程同步器的意義
多線程編程中，有可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程同時(shí)訪問同一個(gè)共享芯杀、可變資源的情況端考，這個(gè)資源我們稱之其為臨界資源；這種資源可能是：對(duì)象揭厚、變量却特、文件等。由于線程執(zhí)行的過程是不可控的筛圆，所以需要采用同步機(jī)制來協(xié)同對(duì)對(duì)象可變狀態(tài)的訪問裂明。
- 共享：資源可以由多個(gè)線程同時(shí)訪問（當(dāng)多個(gè)線程執(zhí)行一個(gè)方法時(shí)，該方法內(nèi)部的局部變量并不是臨界資源太援，因?yàn)檫@些局部變量是在每個(gè)線程的私有棧中闽晦，因此不具有共享性，不會(huì)導(dǎo)致線程安全問題提岔。)
- 可變：資源可以在其生命周期內(nèi)被修改仙蛉。
Q：怎么解決線程并發(fā)訪問的問題?
A：序列化訪問臨界資源。即在同一時(shí)刻碱蒙，只能有一個(gè)線程訪問臨界資源荠瘪，也稱作同步互斥訪問。
Java中赛惩，提供了兩種方式來實(shí)現(xiàn)同步互斥訪問 synchronized 和 Lock
Synchronized詳解
synchronized內(nèi)置鎖是一種對(duì)象鎖(鎖的是對(duì)象而非引用)哀墓，作用粒度是對(duì)象，可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的同步互斥訪問喷兼，是可重入的篮绰。
加鎖的方式：
- 同步實(shí)例方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象
- 同步類方法（靜態(tài)方法）褒搔，鎖是當(dāng)前類對(duì)象
- 同步代碼塊阶牍，鎖是括號(hào)里面的對(duì)象
底層原理：
synchronized是基于JVM內(nèi)置鎖實(shí)現(xiàn)，通過內(nèi)部對(duì)象Monitor(監(jiān)視器鎖)實(shí)現(xiàn)星瘾，基于進(jìn)入與退出Monitor對(duì)象實(shí)現(xiàn)方法與代碼塊同步走孽，監(jiān)視器鎖的實(shí)現(xiàn)依賴底層操作系統(tǒng)的Mutex lock（互斥鎖）實(shí)現(xiàn)，它是一個(gè)重量級(jí)鎖性能較低琳状。當(dāng)然磕瓷，JVM內(nèi)置鎖在1.5之后版本做了重大的優(yōu)化，如鎖粗化（LockCoarsening）、鎖消除（Lock Elimination）困食、輕量級(jí)鎖（LightweightLocking）边翁、偏向鎖（Biased Locking）、適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）等技術(shù)來減少鎖操作的開銷硕盹，符匾，內(nèi)置鎖的并發(fā)性能已經(jīng)基本與Lock持平。
- synchronized關(guān)鍵字被編譯成字節(jié)碼后會(huì)被翻譯成monitorenter 和monitorexit 兩條指令分別在同步塊邏輯代碼的起始位置與結(jié)束位置瘩例。
synchronized翻譯后指令.png
- 每個(gè)同步對(duì)象都有一個(gè)自己的Monitor(監(jiān)視器鎖)啊胶，鎖狀態(tài)被記錄在每個(gè)對(duì)象的對(duì)象頭（Mark Word）中。加鎖過程如下圖所示：
加鎖過程.png
對(duì)象的內(nèi)存布局
HotSpot虛擬機(jī)中垛贤，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可以分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭Header）焰坪、實(shí)例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對(duì)齊填充（Padding）。
- 對(duì)象頭：比如 hash碼聘惦，對(duì)象所屬的年代某饰，對(duì)象鎖，鎖狀態(tài)標(biāo)志善绎，偏向鎖ID黔漂，偏向時(shí)間，數(shù)組長(zhǎng)度等
- 實(shí)例數(shù)據(jù)：即創(chuàng)建對(duì)象時(shí)涂邀，對(duì)象中成員變量瘟仿，方法等
- 對(duì)齊填充：對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍
對(duì)象內(nèi)存布局.png
對(duì)象頭
HotSpot虛擬機(jī)的對(duì)象頭包括兩部分信息，第一部分是“Mark Word”比勉，用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)劳较， 如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡浩聋、鎖狀態(tài)標(biāo)志观蜗、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度在32位和64位的虛擬機(jī)（暫 不考慮開啟壓縮指針的場(chǎng)景）中分別為32個(gè)和64個(gè)Bits传藏，官方稱它為“Mark Word”鼎姊。對(duì)象需要存儲(chǔ)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)很多逮壁，其實(shí)已經(jīng)超出了32、64位Bitmap結(jié)構(gòu)所能記錄的限度，但是對(duì)象頭信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)無關(guān)的額 外存儲(chǔ)成本，考慮到虛擬機(jī)的空間效率梧兼，Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存儲(chǔ)盡量多的信息，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間智听。例如在32位的HotSpot虛擬機(jī) 中對(duì)象未被鎖定的狀態(tài)下羽杰，MarkWord的32個(gè)Bits空間中的25Bits用于存儲(chǔ)對(duì)象哈希碼（HashCode）渡紫，4Bits用于存儲(chǔ)對(duì)象分代年齡，2Bits用于存儲(chǔ)鎖標(biāo)志 位考赛，1Bit固定為0惕澎，在其他狀態(tài)（輕量級(jí)鎖定、重量級(jí)鎖定颜骤、GC標(biāo)記唧喉、可偏向）下對(duì)象的存儲(chǔ)內(nèi)容如下表所示。
32位虛擬機(jī)對(duì)象頭部信息.png
但是如果對(duì)象是數(shù)組類型复哆，則需要三個(gè)機(jī)器碼欣喧，因?yàn)镴VM虛擬機(jī)可以通過Java對(duì)象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對(duì)象的大小，但是無法從數(shù)組的元數(shù)據(jù)來確認(rèn)數(shù)組的大小梯找，所以用一塊來記錄數(shù)組長(zhǎng)度。
對(duì)象頭信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)無關(guān)的額外存儲(chǔ)成本益涧，但是考慮到虛擬機(jī)的空間效率锈锤，Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間闲询，也就是說久免，Mark Word會(huì)隨著程序的運(yùn)行發(fā)生變化，變化狀態(tài)如下（32位虛擬機(jī)）：
對(duì)象頭變化情況.png
內(nèi)置鎖的膨脹升級(jí)過程
內(nèi)置鎖的狀態(tài)總共有四種扭弧，無鎖狀態(tài)阎姥、偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖鸽捻。隨著鎖的競(jìng)爭(zhēng)呼巴，鎖可以從偏向鎖升級(jí)到輕量級(jí)鎖，再升級(jí)的重量級(jí)鎖御蒲，但是鎖的升級(jí)是單向的衣赶，也就是說只能從低到高升級(jí)，不會(huì)出現(xiàn)鎖的降級(jí)厚满。
- 偏向鎖
偏向鎖是Java 6之后加入的新鎖府瞄，它是一種針對(duì)加鎖操作的優(yōu)化手段，在大多數(shù)情況下碘箍，偏向鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)遵馆，而且總是由同一線程多次獲得，因此為了減少同一線程獲取鎖(會(huì)涉及到一些CAS操作,耗時(shí))的代價(jià)而引入偏向鎖丰榴。偏向鎖的核心思想是货邓，如果一個(gè)線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式多艇，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)逻恐，當(dāng)這個(gè)線程再次請(qǐng)求鎖時(shí)，無需再做任何同步操作，即獲取鎖的過程复隆，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請(qǐng)的操作拨匆，從而也就提供程序的性能。所以挽拂，對(duì)于沒有鎖競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)合惭每，偏向鎖有很好的優(yōu)化效果，畢竟極有可能連續(xù)多次是同一個(gè)線程申請(qǐng)相同的鎖亏栈。但是對(duì)于鎖競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的場(chǎng)合台腥，偏向鎖就失效了，因?yàn)檫@樣場(chǎng)合極有可能每次申請(qǐng)鎖的線程都是不相同的绒北，因此這種場(chǎng)合下不應(yīng)該使用偏向鎖黎侈，否則會(huì)得不償失，需要注意的是闷游，偏向鎖失敗后峻汉，并不會(huì)立即膨脹為重量級(jí)鎖，而是先升級(jí)為輕量級(jí)鎖脐往。 - 輕量級(jí)鎖
倘若偏向鎖失敗休吠，虛擬機(jī)并不會(huì)立即升級(jí)為重量級(jí)鎖，它還會(huì)嘗試使用一種稱為輕量級(jí)鎖的優(yōu)化手段(1.6之后加入的)业簿，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級(jí)鎖的結(jié)構(gòu)瘤礁。輕量級(jí)鎖能夠提升程序性能的依據(jù)是“對(duì)絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都不存在競(jìng)爭(zhēng)”梅尤，注意這是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)柜思。需要了解的是，輕量級(jí)鎖所適應(yīng)的場(chǎng)景是線程交替執(zhí)行同步塊的場(chǎng)合克饶，如果存在同一時(shí)間訪問同一鎖的場(chǎng)合酝蜒，就會(huì)導(dǎo)致輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖。 - 自旋鎖
輕量級(jí)鎖失敗后矾湃，虛擬機(jī)為了避免線程真實(shí)地在操作系統(tǒng)層面掛起亡脑，還會(huì)進(jìn)行一項(xiàng)稱為自旋鎖的優(yōu)化手段。這是基于在大多數(shù)情況下邀跃，線程持有鎖的時(shí)間都不會(huì)太長(zhǎng)霉咨，如果直接掛起操作系統(tǒng)層面的線程可能會(huì)得不償失，畢竟操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換時(shí)需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)拍屑，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間途戒，時(shí)間成本相對(duì)較高，因此自旋鎖會(huì)假設(shè)在不久將來僵驰，當(dāng)前的線程可以獲得鎖喷斋，因此虛擬機(jī)會(huì)讓當(dāng)前想要獲取鎖的線程做幾個(gè)空循環(huán)(這也是稱為自旋的原因)唁毒，一般不會(huì)太久，可能是50個(gè)循環(huán)或100循環(huán)星爪，在經(jīng)過若干次循環(huán)后浆西，如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)顽腾。如果還不能獲得鎖近零，那就會(huì)將線程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式抄肖，這種方式確實(shí)也是可以提升效率的久信。最后沒辦法也就只能升級(jí)為重量級(jí)鎖了。
鎖粗化
- 如果jvm接收到一連串的對(duì)鎖的鎖定和釋放漓摩，那么jvm會(huì)把這些請(qǐng)求整合成對(duì)鎖的一次請(qǐng)求裙士，就叫做鎖的粗化
- 示例demo
StringBuffer stb = new StringBuffer();
public void test1(){
//jvm的優(yōu)化，鎖的粗化
stb.append("1");
stb.append("2");
stb.append("3");
stb.append("4");
}
/**
* @Override
* @HotSpotIntrinsicCandidate
* public synchronized StringBuffer append(String str) {
* toStringCache = null;
* super.append(str);
* return this;
* }
*/
- PS:以上四個(gè)append操作會(huì)被虛擬機(jī)整合成對(duì)鎖的一次請(qǐng)求
鎖消除
- 如果同步塊所使用的鎖對(duì)象通過逃逸分析被證實(shí)只能夠被一個(gè)線程訪問幌甘，那么JIT編譯器在編譯這個(gè)同步塊的時(shí)候就會(huì)取消對(duì)這部分代碼的同步
- 實(shí)例demo
public void test2(){
// jvm的優(yōu)化潮售，JVM不會(huì)對(duì)同步塊進(jìn)行加鎖
synchronized (new Object()) {
// 很多邏輯
// jvm是否會(huì)加鎖？
}
}
- 線程每次訪問到以上代碼的同步代碼塊的時(shí)候锅风，都會(huì)申請(qǐng)一個(gè)新的鎖并進(jìn)入同步代碼段，相當(dāng)于沒有加鎖鞍泉，此時(shí)虛擬機(jī)編譯時(shí)會(huì)優(yōu)化這樣的邏輯皱埠，并不會(huì)申請(qǐng)互斥量對(duì)其進(jìn)行加鎖。
逃逸分析
- 逃逸分析就是 分析Java對(duì)象的動(dòng)態(tài)作用域咖驮。當(dāng)一個(gè)對(duì)象被定義之后边器，可能會(huì)被外部對(duì)象引用，稱之為 方法逃逸 托修；也有可能被其他線程所引用忘巧，稱之為 線程逃逸
- 實(shí)例demo
public class StackAllocTest {
/**
* 進(jìn)行兩種測(cè)試
* 關(guān)閉逃逸分析，同時(shí)調(diào)大堆空間睦刃，避免堆內(nèi)GC的發(fā)生砚嘴，如果有GC信息將會(huì)被打印出來
* VM運(yùn)行參數(shù)：-Xmx4G -Xms4G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*
* 開啟逃逸分析
* VM運(yùn)行參數(shù)：-Xmx4G -Xms4G -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
*
* 執(zhí)行main方法后
* jps 查看進(jìn)程
* jmap -histo 進(jìn)程ID
*
*/
public static void main(String[] args) {
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 500000; i++) {
alloc();
}
long end = System.currentTimeMillis();
//查看執(zhí)行時(shí)間
System.out.println("cost-time " + (end - start) + " ms");
try {
Thread.sleep(100000);
} catch (InterruptedException e1) {
e1.printStackTrace();
}
}
private static Person alloc() {
// Jit對(duì)編譯時(shí)會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行 逃逸分析
// 并不是所有對(duì)象存放在堆區(qū)，有的一部分存在線程椛荆空間
Person person = new Person();
return person;
}
static class Person {
private String name;
private int age;
}
}
開啟逃逸分析執(zhí)行結(jié)果.png這時(shí)會(huì)被JIT優(yōu)化所以并沒有初始化夠500000個(gè)對(duì)象际长。
關(guān)閉逃逸分析執(zhí)行結(jié)果.png關(guān)閉后不會(huì)發(fā)生線程逃逸，所以老老實(shí)實(shí)初始化完500000個(gè)對(duì)象兴泥。
- 同步省略工育。如果一個(gè)對(duì)象被發(fā)現(xiàn)只能從一個(gè)線程被訪問到，那么對(duì)于這個(gè)對(duì)象的操作可以不考慮同步搓彻。
- 將堆分配轉(zhuǎn)化為棧分配如绸。如果一個(gè)對(duì)象在子程序中被分配嘱朽，要使指向該對(duì)象的指針永遠(yuǎn)不會(huì)逃逸，對(duì)象可能是棧分配的候選怔接，而不是堆分配搪泳。
- 分離對(duì)象或標(biāo)量替換。有的對(duì)象可能不需要作為一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)存在也可以被訪問到蜕提，那么對(duì)象的部分（或全部）可以不存儲(chǔ)在內(nèi)存森书，而是存儲(chǔ)在CPU寄存器中
