synchronized轻量级锁原理和实战(四)

引入轻量级锁的目的

多线程竞争不激烈的情况下,通过CAS机制竞争减少重量级锁产生的性能消耗.重量级锁使用了操作系统底层的互斥锁,会导致线程在用户态和核心态之间切换.带来性能上的损耗.

轻量级锁的核心原理

轻量级锁存在的目的本身就是为了减少线程从内核态和用户态的切换,从而提高性能.通过经验可以发现好多加锁操作并不会持续很长时间.比如整数的自加操作,在很短的时间阻塞和唤醒线程显然不是很合理.轻量级锁是一种自旋锁,因为JVM本身就是一个应用,希望从应用层面通过自旋解决线程同步问题.

轻量级锁执行过程

抢锁线程进入临界区之前.如果内置锁(临界区的同步对象)没有锁定.JVM首先在抢锁线程的栈帧中建立一个锁记录(Lock Record),用于存储对象目前的Mark Word拷贝.

抢锁线程先处理好栈帧中的轻量级锁记录,然后就是最核心的CAS自旋.抢锁线程通过自旋操作,尝试将内置锁对象头的Mark Word的ptr_lock_record(锁记录指针)更新为抢锁线程中锁记录的地址.如果更新成功了,这个线程就拥有了这个对象锁.然后JVM会把Mark Word的锁记录标记位改为00(轻量级锁标志).

Mard Word的值被更新成功后,包含锁对象信息(如哈希表等)旧值会返回来,抢锁线程会找到一个地方将旧的Mark Word值存起来,所以线程在通过CAS自旋操作更新完Mark Word之后还会有两个善后操作.

1:将含有锁对象信息(如哈希表等)旧的Mark Word值保存在抢锁线程Lock Record的Displaced Mark Word(可以理解为放错的Mark Word)字段中,这一步起到备份作用,以便锁释放以后将旧的值恢复到锁对象头部.

2:抢锁线程将栈帧中的锁记录owner指针指向锁对象.

锁记录是线程私有的,每个线程都有自己的一份锁记录,在创建完锁记录后,会将内置锁对象的Mark Word拷贝到锁记录的Displaced Mark Word字段.这是因为什么?因为内置锁对象的Mark Word的结构会有所变化,Mark Word将会出现一个指向锁记录的指针,而不再存着无锁状态下的锁对象的哈希码等信息,所以必须将这些信息先暂存起来,供后面使用.

轻量级锁演示

public class LightweightLock {static final int MAX_TURN = 1000;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {System.out.println(VM.current().details());//JVM偏向延迟锁.Thread.sleep(5000);ObjectLock objectLock = new ObjectLock();System.out.println("抢占锁前lock的状态:");objectLock.printObjectStruct();LockSupport.parkNanos(5000);CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);Runnable runnable = () -> {for (int i = 0; i < MAX_TURN; i++) {synchronized (objectLock) {objectLock.increase();if (i == 1) {System.out.println("第一个线程占有锁,lock的状态为: ");objectLock.printObjectStruct();}}}latch.countDown();//线程虽然释放锁,但是存在死循环.for (int j = 0; ; j++) {//每一次循环等待一毫秒.LockSupport.parkNanos(1000);}};new Thread(runnable).start();LockSupport.parkNanos(1000);Runnable LightweightRunnable = () -> {for (int i = 0; i < MAX_TURN; i++) {synchronized (objectLock){if (i == MAX_TURN / 2) {System.out.println("第二个线程占有锁,lock的状态为: ");objectLock.printObjectStruct();}LockSupport.parkNanos(1000);}}//循环完毕.latch.countDown();};new Thread(LightweightRunnable).start();latch.await();LockSupport.parkNanos(2000);System.out.println("释放锁后的状态: ");objectLock.printObjectStruct();}
}

程序启动五秒以后,ObjectLocal状态为偏向锁.