Java 锁与多线程协作

一般谈到多线程都会谈到锁这个概念，通过限制并发控制来保证操作互斥的要求。

锁：在执行多线程时用于强行限制资源访问的同步机制，即用于在并发控制中保证对互斥要求的满足（wikipedia）。

Synchronized

Synchronized是Java中提供的最基础的悲观锁。

悲观锁：它可以阻止一个事务以影响其他用户的方式来修改数据（wikipedia）。

Synchronized是通过Monitor来实现的，通过javap命令生成的字节码大体结构如下，

1
2
3
4
5
6
7
method ...
    ...
    monitorenter // 加锁
    ...
    aload 0
    moniterexit // 解锁
    ...

注意上面的monitorenter和monitorexit对应着加锁和解锁的操作。

Monitor：一种线程同步机制，每个Java对象都持有一个Monitor锁(再下面会仔细介绍)。
Key Point 1: 每个线程都有一个Monitor Record 列表；
Key Point 2: 每个被锁住的对象都会与当前线程的Monitor Record 列表关联;
Key Point 3: Monitor的Owner字段存放持有锁的线程的唯一标识;

对象头：每一个对象都包含了一个Mark Word字段，默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。

每当一个线程执行到Synchronized包裹的代码块时，都会先查询当前线程是否已经持有或可以持有当前对象的Monitor锁。

问题：线程切换耗时可能比用户代码执行的之间还要长，从而频繁线程切换会浪费大量的时间。

在JDK 1.6开始，HotSpot虚拟机开发团队开始对Java中的锁进行优化，加入了适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等针对Synchronized的优化。

推荐看一下这篇文章对锁优化的总结：不可不说的Java“锁”事

synchronized & volatile

可见性&原子性：volatile仅能保证变量修改的可见性，不能保证原子性；synchronized即可以保证变量的修改可见性，又能保证变量修改的原子性。

线程阻塞：volatile不会造成线程阻塞，synchronized会造成线程阻塞。

用法：volatile仅能用在变量，synchronized可以使用在变量、方法和类。

锁的膨胀

偏向锁和轻量级锁是乐观锁，基于CAS来实现的，而重量级锁是悲观锁，基于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的。

偏向锁：仅一个线程进入临界区，当前对象会持有偏向锁。

轻量级锁：当两个线程交替进入临界区，会发生锁的升级，更新到轻量级锁。

重量级锁：当多个线程同时进入临界区或者线程自旋的次数太大的时候，会发生锁的升级，更新到重量级锁。

Object wait/notify

Object提供了wait和notify来实现多线程协作，而其底层实现也是基于Monitor来实现的。

对于每一个对象都存在一个ObjectMonitor结构,

Owner：当前持有锁的线程ID；
WaitSet：存放处于wait状态的线程队列；
EntryList：候选队列，存放处于等待锁block状态的线程队列；
ContentionList：竞争队列，所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中。

步骤：

  1. 当多个线程同时访问一段同步代码时，会进入ContentionList队列中尝试获取锁；
  2. JVM会将一部分线程移动到EntryList中作为候选竞争线程；
  3. 当一个线程获取到锁的时候会更新对象的Owner字段中的线程ID为当前线程ID。
  4. 当线程调用wait方法时，释放当前对象的Monitor，Owner字段恢复为null，当前线程加入到WaitSet中等待被其他线程唤醒。
  5. 当线程调用notify方法时，释放当前对象得Monitor，Owner字段恢复为null，并唤醒处于WaitSet中的线程。

AQS

AQS是一个用来构建锁和同步器的框架，例如ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock等皆是基于AQS来实现的。

核心思想：

  1. 如果被请求的共享资源空闲，则将当前请求资源的线程设置为有效的工作线程，并且将共享资源设置为锁定状态。
  2. 如果被请求的共享资源被占用，那么就需要一套线程阻塞等待以及被唤醒时锁分配的机制(CLH队列锁)。

CLH(Craig,Landin,and Hagersten)队列是一个虚拟的双向队列（虚拟的双向队列即不存在队列实例，仅存在结点之间的关联关系）。

AQS是将每条请求共享资源的线程封装成一个CLH锁队列的一个结点（Node）来实现锁的分配。

AQS定义两种资源共享方式：独占和共享。

独占是只有一个线程能执行（如如ReentrantLock等），而共享是允许多个线程同时执行（如Semaphore等）。

独占模式下又可分为公平锁和非公平锁。

公平锁：按照线程在队列中的排队顺序，先到者先拿到锁；
非公平锁：当线程要获取锁时，无视队列顺序直接去抢锁，谁抢到就是谁的。

重入

Synchronized与JUC lock都是可重入的。

可重入是同一线程可以重复获得当前锁，也是为了避免死锁问题。

参考

https://www.jianshu.com/p/f4454164c017
https://blog.csdn.net/kobejayandy/article/details/39975339
https://tech.meituan.com/2018/11/15/java-lock.html
https://www.hollischuang.com/archives/2030