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synchronized和ReentrantLock的基本原理是什么

发表于:2022-11-27 作者:安全数据网编辑
编辑最后更新 2022年11月27日,这篇文章主要介绍"synchronized和ReentrantLock的基本原理是什么",在日常操作中,相信很多人在synchronized和ReentrantLock的基本原理是什么问题上存在疑惑,

这篇文章主要介绍"synchronized和ReentrantLock的基本原理是什么",在日常操作中,相信很多人在synchronized和ReentrantLock的基本原理是什么问题上存在疑惑,小编查阅了各式资料,整理出简单好用的操作方法,希望对大家解答"synchronized和ReentrantLock的基本原理是什么"的疑惑有所帮助!接下来,请跟着小编一起来学习吧!

一、java锁的类型

java的锁有这么几类。

乐观锁和悲观锁

  • 乐观锁就是JVM认为不通过加锁也能保证并发的正确性。典型实现是诸如AtomicInteger的实现。

  • 悲观锁就是需要加锁互斥。典型实现是Synchronized(Synchronized属于乐观锁还是悲观锁其实跟具体实现有关,大部分场景下都是悲观锁)和ReentrantLock。

可重入和不可重入

  • 可重入是指当一个线程获取了锁,但是没有释放,这个线程又要获取这个锁,仍然能获取成功。Synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。

  • 不可重入是可重入的否命题,这样自己会把自己死锁。应该没有这样的实现。

公平锁和非公平锁

  • 公平锁是先请求锁的线程肯定先获得锁,也就是FIFO。公平说是不是就是合理的?可能也不一定,因为这会造成上下文的切换。ReentrantLock默认是非公平锁,但是可以通过构造方法构造公平锁实例。

  • 非公平锁是新来的线程有优先获得锁的机会,也就是可以插队。合理吗?可能也不合理,因为这可能造成"饿死"现象:在排队的旧的线程总是获取不到锁。Sysnchronized其实就是非公平锁。

排他锁和共享锁

  • 排他锁是一个线程获得锁之后,其他线程不能再获得锁。大多数场景下都是排他锁。

  • 共享锁是指多个线程可以同时获得锁。常见的是多个线程可以同时获得读锁。

二、synchronized

synchronized基本原理是通过CPU指令实现的。在jdk1.6之前是很重的锁。因为java的多线程与操作系统的线程是一一对应的。当java线程阻塞的时候需要切换到内核态的线程进行阻塞,唤醒的时候又要从内核态切换到用户态,进行了很重的上下文切换。那么能不能当一个线程获取不到锁的时候不阻塞呢?自旋可以吗?这样就有了synchronized的四种实现:无锁、偏向锁、轻量锁、重量锁。

synchronized锁的是java的对象头,再详细点是mark word。


无锁

这个没有什么好说的。没有将这个对象通过synchronized包括。

偏向锁

当只有一个线程在访问锁的时候,会在mark word中通过CAS的方式设置当前线程的threadId。如果成功的话,加锁成功(由于只有一个线程,肯定成功)。这样当这个线程再次请求锁的时候,看mark word的thread id和自己是否相同,如果相同加锁成功。注意,它是没有解锁操作的。如果是另一个线程也来了,由于上一个线程没有解锁操作,这个新线程的CAS肯定失败。这时当JVM没有字节码要执行的时候(全局安全点),会检查上一个线程有没有结束,如果结束,则通过CAS将mark word中的thread id字段更新为新线程的threadId。如果上一个线程没有结束,这就存在并发了。偏向锁无法完成使命,需要升级为轻量锁。

轻量锁

接着上面偏向锁的上一个线程A和新的线程B的例子。JVM此时进行一下线程A对mark word的操作。将mark word拷贝到当前线程的栈空间中,CAS操作mark word的指针指向这个栈空间的地址,CAS操作当前线程的栈空间再加一个指向mark word的指针,这两个操作成功后,其实第一个CAS成功就是成功,这样线程A就获得了锁,升级成为了轻量锁。线程B会自旋等待线程A的释放。线程A怎么释放锁呢?只要将第一个CAS操作的指针(mark word指向线程栈的指针)释放了就可以了,线程B自旋检测mark word的指向,去抢占锁。如果此时又来一个线程C呢?是不是也自旋?可以同时有几个线程自旋?线程B能自旋多少次?这些都是有JVM参数可配置的。

重量锁

这个其实也没什么好说的。存在并发访问时,直接将线程切换到内核态阻塞。

三、ReentrantLock

ReentrantLock是通过AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现的。需要解决的问题:

需要有个状态表示这个lock对象是不是被抢占了,如果可重入的话,被这个线程抢占了多少次。这个状态标识其实就是AQS的state成员变量。对state的操作肯定要线程安全。可以通过CAS解决。

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {     final Thread current = Thread.currentThread();     int c = getState();     if (c == 0) {         // 这个是公平锁的实现。需要判断队列中有没有等待的线程,         // 如果没有才进行CAS抢占             if (!hasQueuedPredecessors() &&             compareAndSetState(0, acquires)) {             setExclusiveOwnerThread(current);             return true;         }     }     // 这里就是可重入逻辑     else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {         int nextc = c + acquires;         if (nextc < 0)             throw new Error("Maximum lock count exceeded");         setState(nextc);         return true;     }     return false; }

多个线程同时抢占lock,只有一个线程能成功,其他线程怎么排队呢?排队的线程怎么抢占锁呢?这就用到了一个队列。这个队列的插入是通过自旋和CAS实现的。

private Node addWaiter(Node mode) {     Node node = new Node(mode);     // 循环尝试     for (;;) {         Node oldTail = tail;         if (oldTail != null) {             // 无锁修改前驱指针             node.setPrevRelaxed(oldTail);             // CAS修改tail             if (compareAndSetTail(oldTail, node)) {                 // 修改后续指针                 oldTail.next = node;                 return node;             }         } else {             initializeSyncQueue();         }     } }

排队的线程抢占lock呢?

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {     boolean interrupted = false;     try {         for (;;) {             final Node p = node.predecessor();             // 如果前驱节点是头节点,并且获取锁成功,直接返回。             // 但是大多数情况,可能运气没这么好             if (p == head && tryAcquire(arg)) {                 setHead(node);                 p.next = null; // help GC                 return interrupted;             }             // 是否需要阻塞             if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node))                 // 这里阻塞                 interrupted |= parkAndCheckInterrupt();         }     } catch (Throwable t) {         cancelAcquire(node);         if (interrupted)             selfInterrupt();         throw t;     } }

怎么唤醒上面阻塞的线程呢?这就要看下释放逻辑。

public final boolean release(int arg) {     // 释放lock     if (tryRelease(arg)) {         Node h = head;         if (h != null && h.waitStatus != 0)             unparkSuccessor(h);  // 唤醒头结点的后续节点。注意头结点是虚节点,没有实在意义         return true;     }     return false; }

到此,关于"synchronized和ReentrantLock的基本原理是什么"的学习就结束了,希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习,快去试试吧!若想继续学习更多相关知识,请继续关注网站,小编会继续努力为大家带来更多实用的文章!

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