JAVA锁漫谈,最好的锁是无锁

jopen 6年前

关于synchronized

众所周知,JAVA中最简单的加锁方法是用关键字synchronized,我们可以使用这个关键字将一个方法变成线程安全的,也可以将一个代码块变成线程安全的,这样子我们不需要再担心多线程同时执行到这段代码会引发的并发问题。同时配合方法wait,notify和notifyall可以很好的实现多线程之间的协作,比如某个线程因为需要等待一些资源,于是调用wait方法将自己设置为waiting状态,其他线程释放或生产这个线程需要的资源的时候需要通知这个线程(notify)将其唤醒,或者通知所有等待当前资源的线程(notifyall)。

然而当功能完成之后我们似乎并不满足于此,于是我们开始考虑这么做的代价是什么,是否可以做的更好。

先说说这么做(使用synchronized)的代价是什么,当多个线程请求临界资源的时候只能有一个线程得到满足,那么其他的线程会做什么呢,他们会被阻塞,直到被通知(notify/notifyall)又有资源的时候才被唤醒进行再一次的锁争用,而后往复的是又只有一个线程能被得到满足,其他的线程继续进入阻塞状态,而这个时候可能会有不断的增加争用线程。性能损耗的关键点在于线程的阻塞操作是由操作系统来完成的,在Linux系统下是由 pthread_mutex_lock函数来完成。线程被阻塞之后便进入了内核调度态,这个过程发生了操作系统将保存用户态的上下文进入内核态,这也就是常说的上下文切换,上下文切换代价大,在于操作系统需要将当前线程执行上下文内容(包括堆栈、寄存器等存储的内容)的保存以便之后线程切换回来时候再进行现场恢复。

上面可以看出使用synchronized的代价是什么了吧,当竞争激烈的时候会引起频繁的操作系统上下文切换,从而影响系统的性能。下面再来讲讲自旋锁。


自旋锁的原理

自旋锁是对线程阻塞的一种优化,他的原理简单的说就是当线程争用锁失败的时候不立即进入阻塞状态,而是再等一会,因为对于执行时间短的代码这一会可能就会释放锁,而线程就不需要进行一次阻塞与唤醒。等待操作就是让线程多执行几个空指令,至于等待多久这跟具体的处理器实现有关,也有可能处理器根本不支持自旋锁,具体实现的时候我们可以设置一个临界值,当超过了这个临界值之后我们就不自旋了,就乖乖进入阻塞状态吧。这种优化对于执行时间短的代码是很有效的。synchronized使用自旋锁的时机是线程进入等待队列即阻塞的前一步。


关于偏向锁

偏向锁是java6提供的一种功能,主要是对无竞争条件下的对加锁代码执行的优化,得到优化的地方是省去了对等待队列的更新操作。在竞争条件下,获取锁失败的线程会被放入等待队列,这个队列的更新操作是通过CAS指令来完成的。对于那么一段本部应该被加锁的代码被加了锁,我们认为每次执行这段被加了锁的代码的时候更新等待队列的操作并不是必要的,而CAS操作会延迟本地代码的执行,因此偏向锁是用于优化这个问题的。


关于Lock

Lock是JAVA5增加的内容,在JCU(java.util.concurrent.locks)包下面,作者是并发大师Doug Lea。JCU包提供了很多封装的锁,包括常用的ReentrantLock和ReadWriteLock。这些所其实都是依赖 java.util.concurrent.AbstractQueuedSynchronizer这个类来实现的,这个类有个简写的名字叫AQS,对这就是著名的AQS。

关于Lock,先说说线程获取Lock锁的时候会引起哪些事件呢。首先AQS是依赖一个被volatile修饰的int变量来标识当前锁的状态的,为0的时候代表当前锁不被任何线程拥有,当线程拿到这个锁的时候会通过CAS操作修改state的状态,那么对于争用失败的线程AQS会怎么办呢,AQS 内部维护了一个等待队列,这个队列是纯JAVA实现的,其实现也是非常巧妙的,多线程在通过CAS来获取自己在队列中的位置,同时队列中的线程状态也是阻塞状态,遇到阻塞就头疼了,上面已经介绍过阻塞会带来的性能问题。在源码中我们可以看到的是AQS通过LockSupport(LockSupport底层依赖Unsafe)将线程阻塞,关于LockSupport我有一篇文章介绍的,其功能是用来代替wait和notity/notifyall的,更好的地方是LockSupport对park方法和unpark方法的调用没有先后的限制,而notify/notifyall必须在wait调用之后调用。尽管如此,这一切并没有阻止线程进入阻塞状态,我有点失望。


无锁时代

讲到无锁,必然是Disruptor并发框架,Disruptor底层依赖一个RingBuffer来进行线程之间的数据交换,无锁在于在并发条件下,多线程对RingBuffer的读和写不会涉及到锁,然而因为RingBuffer满或者RingBuffer中没有可消费内容引发的线程等待,那就要另当别论了。简单几句介绍下无锁原理,RingBuffer维护者可读和可写的指针,也叫游标,它指向生产者或消费者需要写或读的位置,而对于指针的更新是由CAS来完成的,这个过程中我们不需要加锁/解锁的过程。


后记:

JAVA锁方面的知识主要是要搞清楚不同的锁的优点与缺点,深入到操作系统层的实现机制与不同场景中对应用的性能影响。本文简单的撸了一下JAVA 锁从synchronized到无锁的发展以及一些锁的简单原理,主要是抛砖引玉吧,因为介绍的比较简单,对于文中提到的知识不知道的同学可以深入了解,我相信你会很有收获。有些实现的原理介绍可能就一句话,但是实际实现起来是蛮复杂的,需要考虑到的东西是我们没有写过所不能考虑到的。到这里,如果你的项目中用到了多线程并发,你是否会考虑使用无锁模型来优化你项目中多线程之间的通信呢。


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