Java- 技术专题 -AQS 和 Volatile 和 Synchronized 实现原理
本文参考:
AQS
ReentrantLock类关于lock接口的操作都交给了内部类Sync类来实现,Sync类又有两个子类NonFairSync,FairSync
,公平锁和不公平锁;
AQS重要成员变量
AQS使用的设计模式:
模板方法设计模式:
定义一个代码模板结构,相同部分在父类实现,不同部分由子类实现
模板方法模式(Template Method) - 最易懂的设计模式解析。
安卓中的View,Activity都使用了模板方法设计模式,View类规范了所有View需要实现的行为,View的子类可以在onMeasure,onLayout,onDraw中扩展各自不同的行为;体现了设计模式的开闭原则
AQS抽象类为子类提供了tryAcquire,tryRelease去扩展自己的不同行为
NonfairSync:
NonfairSync.lock()
首先通过CAS尝试将AQS的state由0变为1,如果成功,说明当前锁没有被线程持有,调用setExclusiveOwnerThread()设置当前线程持有当前锁即可;
如果失败了说明当前锁被持有,调用acquire(1);
acquire()
在acquire()中,首先调用了tryAcquire()尝试获取
NonFairSync的tryAcquire的实现
首先判断AQS的state是否为0,如果是0,则当前锁未被持有,设置当前线程即可,如果不为0,说明当前锁被持有,并且有另一个线程尝试进入,则将AQS的state+1(类似synchronized的monitor的进入数);
addWaiter()
addWaiter的作用是将为获得锁被阻塞的线程打包成Node添加到tail链表(队列)中保存起来,添加链表节点的过程使用了CAS添加;
UnFairSync lock
回顾一下UnFairSync的lock()过程:首先尝试通过CAS将锁的状态(AQS的state)由0变为1;如果成功说明锁未被持有,设置当前线程持有即可,如果失败,说明锁已经被持有,调用acquire(1);在acquire()中,1
首先调用tryAcquire()再次尝试获取锁,如果失败将锁的state+1,2
其次调用addWaiter()将当前线程包装成Node放入等待队列AQS的tail
中,3
调用当线程的interrupt()尝试中断;
unLock():
unLock()做的事情:将锁的state-1,如果state==0了,在等待队列中唤醒一个线程;
公平锁和不公平锁的区别:
FairLock.lock()
公平锁的lock方法是直接调用acquire();
tryAcquire的实现:
在调用tryAcquire()尝试获取锁时,公平和不公平锁的实现稍微不同,公平锁会在state == 0的时候直接设置当前线程去持有锁,而非公平锁会调用hasQueuedPredecessors()
去判断tail等待队列中有没有比当前线程等待时间更长的线程,如果有,就不会设置当前线程去持有锁;
AQS内部的CLH自旋锁
CLH是一个基于链表(队列)的自旋(公平)锁,每一个等待锁的线程封装成节点,不断自旋判断前一个节点的状态,如果前一个节点释放锁就结束自旋;
AQS的CLH队列tail
对CLH自旋锁进行了两个方面改进:
节点的结构:
AQS中的CLH队列的节点采用双向链表节点等待机制:
传统的CLH是通过不断自旋判断前一个节点的状态,AQS改成了自旋+阻塞+唤醒,线程在经过几次自旋后会进入阻塞状态等待唤醒,唤醒后继续自旋,等待前一个线程释放锁,兼顾了
性能和效率;
可重入锁的实现:
可重入锁:指任意线程在获取到锁之后能够再次获取该锁而不会被锁所阻塞
在 tryAcquire()中判断是否是当前线程持有,如果是则将state通过CAS +1;
在释放锁时,只有state为0时,锁才会正真释放,可以被其他线程持有;
JMM (JAVA Memory Model
)
JVM定义了JMM用来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异,即JMM的主要目标定义程序中各个变量访问规则;
JMM规定了所有的变量都存放在主内存,每个线程有自己的工作内存,工作内存中保存着主内存变量的副本,线程对变量的访问只能通过自己的工作内存的副本访问,每个线程只能访问自己的工作线程;
内存间交互操作:
JMM定义了8种原子操作用来实现主内存到工作内存的拷贝,工作内存到主内存的同步:
lock锁定:
作用于主内存 ,将主内存的一个变量标识为一个线程独占unlock解锁:
作用于主内存,把主内存中一个处于被线程独占的变量释放出来
read读取:
作用于主内存,把主内存的变量传入到工作内存,配合load使用load载入:
作用于工作内存,配合read将主内存的值放入工作内存的副本中
use使用:
作用于工作内存,当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的字节码指令时,将工作内存变量的值传递给执行引擎。assign赋值:
作用于工作内存,当虚拟机遇到一个需要给变量赋值的字节码指令时,从执行引擎接收新的值传入工作内存。
store存储:
作用于工作内存,将工作内存的一个变量传递给主内存,配合write使用write写入:
作用于主内存,配合store将工作内存副本的值在主内存更新
Volatile:
被volatile修饰的变量具有
可见性,有序性
,保证单个变量的读写的原子性
(i++不保证)
volatile原理:
被volatile修饰的变量会存在一个
lock前缀
,lock前缀的作用是将当前线程的工作内存中副本值直接写入主内存,并且将其他工作内存的值失效(立刻执行store,write操作);强制刷新变量,保证可见性;lock前缀还有一个功能:
内存屏障
(重排序不能在内存屏障前执行),抑制重排序,保证有序性;
happen-before:先行发生原则
如果操作1 happen-before 操作2,那么操作1的结果对操作2 是可见的 仅要求可见性,不要求有序性,可以重排序;
volatile规定了变量的写 happen-before 变量的读;
synchronized原理:
每一个对象都会有一个monitor,monitor是由C++实现的一个ObjectMonitor类,可以理解为一个实现线程同步的对象;
Monitor的属性
当多个线程同时访问同步代码块时,会先将线程放入
EntryList
中,当一个线程持有monitor对象
后,会count++
,设置owner
为此线程;
如果
owner
调用wait()或者同步任务完成,就会将count--
,owner
设置为null,并且将这个线程
放入WaitSet
,等待下一次被唤醒
monitorenter:
遇到monitorenter指令会尝试获取monitor对象,通过判断monitor对象的count是否为0,如果count = 0,当前线程就持有锁,count++,如果不会零,就阻塞,如果持有锁的线程重新进入锁,count继续++;
monitorexit:
执行exit指令的线程必须是锁的持有者,执行完exit后,monitor的count--,如果count == 0,则退出锁,被阻塞的线程可以尝试获取锁;
同步代码块时通过enter/exit字节码指令实现的,如果是同步方法,就会在方法的字节码加入一个
ACC_SYNCHRONIZED
的flag,如果有这个flag,表明这是一个同步方法,线程在执行时会尝试获取Monitor对象(静态方法是类的Monitor,非静态方法则是实例对象的Monitor),本质上和enter、exit一样都是通过Monitor对象来实现的;
synchronized优化:
在早期的版本中,使用synchronized关键字加锁都会将拿不到锁的线程进行阻塞,需要上下文切换,效率较低,在jdk1.6以后对synchronized锁进行了优化;
锁消除:
在代码上加了锁,但是虚拟机判断出这一块代码不可能被多线程竞争,就会把这个锁消除掉;虚拟机判断的依据是逃逸分析
逃逸分析:
分析对象的动态作用域,当一个对象在方法中被定义后,它可能被外部其他方法访问(作为参数传入),这种称为方法逃逸,如果被其他线程访问,称为线程逃逸,如果能证明这个对象不会逃逸到其他方法或者线程,虚拟机会对它做一些优化:
栈上分配:对象的内存存放在栈帧中而不是堆上;
同步消除:锁消除
标量替换: 标量:一个数据无法分解成更小的数据,比如java原始类型;聚合量:可以被分解成更小的数据,比如对象;如果逃逸分析证明这个对象不会方法逃逸,并且这个对象是聚合量,那么程序执行的时候可能不会创建这个对象,而是创建它的成员变量;
锁粗化:
如果虚拟机检测到一串操作都对一个对象加锁,释放锁,将会把加锁的范围粗化到整个操作的外部;
上面的操作就会进行synchronized锁粗化的优化
自适应自旋:
自旋时间由前一次在同一个锁的自旋时间和锁的拥有者状态来决定,如果虚拟机判断获得这个锁的可能性很大,就会增加自旋时间,如果觉得很难获得锁,可能会省去自旋这一步节约CPU;偏向锁:
这个锁会偏向于第一个持有它的线程,如果在运行过程中,同步锁只有一个线程访问,不存在多线程争用的情况,则线程是不需要触发同步的,减少加锁/解锁的一些CAS操作(比如等待队列的一些CAS操作),这种情况下,就会给线程加一个偏向锁。 如果在运行过程中,遇到了其他线程抢占锁,则持有偏向锁的线程会被挂起,JVM会消除它身上的偏向锁,将锁恢复到标准的轻量级锁;轻量级锁:
由偏向锁转化来,相对于传统的重量级锁,不会阻塞线程,而是通过自旋进行等待;以CPU为代价,避免线程的上下文切换,追求响应速度;偏向锁切换到轻量级锁会Stop the World
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