java的无锁的数据结构

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IT剑客之家 2024-10-23 19:55:52

文章标签 java的无锁的数据结构 java jvm 开发语言无锁 文章分类 Java 后端开发

文章目录

1. 无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁介绍

1.1 无锁
1.2 偏向锁
1.3 轻量级锁
1.4 重量级锁

2. 扩展

2.1 锁标志位
2.2 CAS原理
2.3 CAS操作

1. 无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁介绍

1.1 无锁

无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

1.2 偏向锁

偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。

在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁,有则直接进入。只有线程第一次获取锁的时候会进行一次CAS操作。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。

线程不会主动释放偏向锁，除非有别的线程来竞争偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。
偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

1.3 轻量级锁

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。每个线程每次加锁和释放锁都会使用CAS去操作。

在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。

拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。

如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。

若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。

1.4 重量级锁

重量级锁是通过互斥量（Mutex）来实现的，一个线程获取到锁进入同步块，在没有释放锁之前，会阻塞其他未获取锁的线程。

与轻量级锁不同的是，重量级锁是由操作系统的互斥量（mutex）实现，相对而言性能要低很多，故而名为重量级锁。

2. 扩展

2.1 锁标志位

获取java对象的对象头，我们可以运行下面代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
}

// 需引用依赖
//<dependency>
//<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
//<artifactId>jol-core</artifactId>
//<version>0.10</version>
//</dependency>

输出：

java的无锁的数据结构_jvm

图中绿色圈起来的就是对象当前的锁标志位，例如001指的是非偏向锁，无锁关于锁标志位：

java的无锁的数据结构_jvm_02

2.2 CAS原理

CAS的英文全称是Compare-And-Swap,意思就是比较并交换，他是原子类的底层原理，同时也是乐观锁的原理，CAS的特点是避免使用互斥锁，当多个线程同时更新同一个变量时，只有一个线程可以更新成功，其他的线程都会更新失败，和同步互斥锁不同的是，更新失败的线程并不会被阻塞，而是被告知此次竞争失败，下次还可以继续竞争。