共享模型之管程（悲觀鎖）

文章目錄

共享模型之管程（悲觀鎖）
一、常見線程安全的類
二、對象頭
三、Monitor（監視器 / 管程）
四、偏向鎖
- 偏向鎖的實現原理
- 撤銷偏向鎖
五、輕量級鎖
- 輕量級鎖的釋放
六、重量級鎖
七、鎖的升級流程
八、sleep / wait / park
- sleep
- wait
- park
九、多把鎖相關
十、ReentrantLock

一、常見線程安全的類

String
Integer
StringBuffer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent 包下的類

他們的每個方法是原子的，但多個方法的組合不是原子的！

二、對象頭

普通對象頭

Mark Word 用來存儲對象的 hashCode 或者鎖信息等。
Klass Word 存儲到對象類型數據的指針
數組對象頭

Array length 存儲了數組的長度
其中32位 Mark Word 的結構為
其中64位 Mark Word 的結構為

從上到下對應的是無鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖以及GC標志。

可以看到，當對象狀態為偏向鎖時，Mark Word 存儲的是偏向的線程 ID；
當狀態為輕量級鎖時，Mark Word 存儲的是指向線程棧中 Lock Record 的指針；
當狀態為重量級鎖時，Mark Word 為指向堆中的 monitor（監視器）對象的指針。

三、Monitor（監視器 / 管程）

在 Java 中，監視器（monitor）是一種同步工具，用于保護共享數據，避免多線程并發訪問導致數據不一致。在 Java 中，每個對象都有一個內置的監視器。

監視器包括兩個重要部分，一個是鎖，一個是等待/通知機制，后者是通過 Object 類中的wait(), notify(), notifyAll()等方法實現的。
在這里插入圖片描述
剛開始 Monitor 中 Owner 為 null，當 Thread-2 執行 synchronized(obj) 就會將 Monitor 的所有者 Owner 置為 Thread-2，Monitor中只能有一個 Owner。

在 Thread-2 上鎖的過程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也來執行 synchronized(obj)，就會進入EntryList BLOCKED，Thread-2 執行完同步代碼塊的內容，然后喚醒 EntryList 中等待的線程來競爭鎖，競爭的時是非公平的。

Owner 線程發現條件不滿足，調用 wait 方法，即可進入 WaitSet 變為 WAITING 狀態，BLOCKED 和 WAITING 的線程都處于阻塞狀態，不占用 CPU 時間片，BLOCKED 線程會在 Owner 線程釋放鎖時喚醒，WAITING 線程會在 Owner 線程調用 notify 或 notifyAll 時喚醒，但喚醒后并不意味者立刻獲得鎖，仍需進入EntryList 重新競爭。

四、偏向鎖

Hotspot 的作者經過以往的研究發現大多數情況下鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，于是引入了偏向鎖。

偏向鎖會偏向于第一個訪問鎖的線程，如果在接下來的運行過程中，該鎖沒有被其他的線程訪問，則持有偏向鎖的線程將永遠不需要觸發同步。也就是說，偏向鎖在資源無競爭情況下消除了同步語句，連 CAS（后面會細講，戳鏈接直達）操作都不做了，著極大地提高了程序的運行性能。

大白話就是對鎖設置個變量，如果發現為 true，代表資源無競爭，則無需再走各種加鎖/解鎖流程。如果為 false，代表存在其他線程競爭資源，那么就會走后面的流程。

偏向鎖的實現原理

一個線程在第一次進入同步塊時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程 ID。當下次該線程進入這個同步塊時，會去檢查鎖的 Mark Word 里面是不是放的自己的線程 ID。如果是，表明該線程已經獲得了鎖，以后該線程在進入和退出同步塊時不需要花費 CAS 操作來加鎖和解鎖（對比來說輕量級鎖每次都需要生成鎖記錄，然后用鎖記錄替換 markword ）；如果不是，就代表有另一個線程來競爭這個偏向鎖。這個時候會嘗試使用 CAS 來替換 Mark Word 里面的線程 ID 為新線程的 ID，這個時候要分兩種情況：

成功，表示之前的線程不存在了， Mark Word 里面的線程 ID 為新線程的 ID，鎖不會升級，仍然為偏向鎖；

失敗，表示之前的線程仍然存在，那么暫停之前的線程，設置偏向鎖標識為 0，并設置鎖標志位為 00，升級為輕量級鎖，會按照輕量級鎖的方式進行競爭鎖。

CAS 是比較并設置的意思，用于在硬件層面上提供原子性操作。在在某些處理器架構（如x86）中，比較并交換通過指令 CMPXCHG 實現（（Compare and Exchange），一種原子指令），通過比較是否和給定的數值一致，如果一致則修改，不一致則不修改。
在這里插入圖片描述
圖中涉及到了 lock record 指針指向當前堆棧中的最近一個 lock record，是輕量級鎖按照先來先服務的模式進行了輕量級鎖的加鎖。

撤銷偏向鎖

偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，所以當其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。

偏向鎖升級成輕量級鎖時，會暫停擁有偏向鎖的線程，重置偏向鎖標識，這個過程看起來容易，實則開銷還是很大的，大概的過程如下：

在一個安全點（在這個時間點上沒有字節碼正在執行）停止擁有鎖的線程。
遍歷線程棧，如果存在鎖記錄的話，需要修復鎖記錄和 Mark Word，使其變成無鎖狀態。
喚醒被停止的線程，將當前鎖升級成輕量級鎖。
所以，如果應用程序里所有的鎖通常處于競爭狀態，那么偏向鎖就會是一種累贅，對于這種情況，我們可以一開始就把偏向鎖這個默認功能給關閉。

調用對象的 hashCode 函數時會生成 hashCode，但對于偏向鎖 Mark Word 里記錄的是線程 id，沒地方放哈希值，所以會撤銷偏向鎖。輕量級鎖在鎖記錄里記錄 hashCode，重量級鎖會在 Monitor 中記錄 hashCode。

調用 wait() 或 notify() 方法會觸發偏向鎖的撤銷，并升級為重量級鎖。這是因為 wait() 和 notify() 引入了線程間的競爭和同步機制，而偏向鎖無法應對這種場景。

在這里插入圖片描述

五、輕量級鎖

多個線程在不同時段獲取同一把鎖，即不存在鎖競爭的情況，也就沒有線程阻塞。針對這種情況，JVM 采用輕量級鎖來避免線程的阻塞與喚醒。

JVM 會為每個線程在當前線程的棧幀中創建用于存儲鎖記錄的空間，我們稱為 Displaced Mark Word。如果一個線程獲得鎖的時候發現是輕量級鎖，會把鎖的 Mark Word 復制到自己的 Displaced Mark Word 里面。

然后線程嘗試用 CAS 將鎖的 Mark Word 替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當前線程獲得鎖，如果失敗，表示 Mark Word 已經被替換成了其他線程的鎖記錄，說明在與其它線程競爭鎖，當前線程就嘗試使用自旋來獲取鎖。

自旋：不斷嘗試去獲取鎖，一般用循環來實現。

自旋是需要消耗 CPU 的，如果一直獲取不到鎖的話，那該線程就一直處在自旋狀態，白白浪費 CPU 資源。解決這個問題最簡單的辦法就是指定自旋的次數，例如讓其循環 10 次，如果還沒獲取到鎖就進入阻塞狀態。

但是 JDK 采用了更聰明的方式——適應性自旋，簡單來說就是線程如果自旋成功了，則下次自旋的次數會更多，如果自旋失敗了，則自旋的次數就會減少。

自旋也不是一直進行下去的，如果自旋到一定程度（和 JVM、操作系統相關），依然沒有獲取到鎖，稱為自旋失敗，那么這個線程會阻塞。同時這個鎖就會升級成重量級鎖。

輕量級鎖的釋放

在釋放鎖時，當前線程會使用 CAS 操作將 Displaced Mark Word 的內容復制回鎖的 Mark Word 里面。如果沒有發生競爭，那么這個復制的操作會成功。如果有其他線程因為自旋多次導致輕量級鎖升級成了重量級鎖，那么 CAS 操作會失敗，此時會釋放鎖并喚醒被阻塞的線程。

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六、重量級鎖

重量級鎖依賴于操作系統的互斥鎖（mutex，用于保證任何給定時間內，只有一個線程可以執行某一段特定的代碼段）實現，而操作系統中線程間狀態的轉換需要相對較長的時間，所以重量級鎖效率很低，但被阻塞的線程不會消耗 CPU。

每一個對象都可以當做一個鎖，當多個線程同時請求某個對象鎖時，對象鎖會設置幾種狀態用來區分請求的線程：

Contention List：所有請求鎖的線程將被首先放置到該競爭隊列
Entry List：Contention List 中那些有資格成為候選人的線程被移到 Entry List
Wait Set：那些調用 wait 方法被阻塞的線程被放置到 Wait Set
OnDeck：任何時刻最多只能有一個線程正在競爭鎖，該線程稱為 OnDeck
Owner：獲得鎖的線程稱為 Owner
!Owner：釋放鎖的線程

當一個線程嘗試獲得鎖時，如果該鎖已經被占用，則會將該線程封裝成一個ObjectWaiter對象插入到 Contention List 隊列的隊首，然后調用park 方法掛起當前線程。

當線程釋放鎖時，會從 Contention List 或 EntryList 中挑選一個線程喚醒，被選中的線程叫做Heir presumptive即假定繼承人，假定繼承人被喚醒后會嘗試獲得鎖，但synchronized是非公平的，所以假定繼承人不一定能獲得鎖。

這是因為對于重量級鎖，如果線程嘗試獲取鎖失敗，它會直接進入阻塞狀態，等待操作系統的調度。

如果線程獲得鎖后調用Object.wait方法，則會將線程加入到 WaitSet 中，當被Object.notify喚醒后，會將線程從 WaitSet 移動到 Contention List 或 EntryList 中去。需要注意的是，當調用一個鎖對象的wait或notify方法時，如當前鎖的狀態是偏向鎖或輕量級鎖則會先膨脹成重量級鎖。