问:JAVA虚拟机中的锁为什么要升级?咋升?
在Java虚拟机(JVM)中,锁是实现多线程同步和保证数据一致性的关键机制。JVM为了优化锁的性能,引入了多种锁状态及其升级机制。本文介绍JVM中的锁实现机制,包括锁的升级过程、底层机制、关键概念、实现步骤及不同锁状态下的并发适用场景。
一、锁的关键概念
1. 锁状态
JVM中的锁状态从低到高依次为:无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。锁状态的升级是单向的,不可逆。
- 无锁状态:对象创建时默认状态,所有线程都可以访问资源,但无同步保障。
- 偏向锁:假设锁在大多数情况下被单个线程持有,首次访问同步代码块时通过CAS设置偏向锁,后续访问无需同步操作。
- 轻量级锁:适用于线程交替执行同步代码块且锁竞争不激烈的情况,通过CAS和自旋尝试获取锁。
- 重量级锁:传统锁实现机制,依赖操作系统互斥量,锁竞争激烈时使用,涉及线程阻塞和唤醒。
2. 底层机制
- CAS操作:Compare-And-Swap,一种原子操作,用于多线程同步。
- Mark Word:对象头中的一部分,存储锁的状态信息、线程ID等。
- Monitor机制:JVM内部同步机制,每个对象关联一个Monitor,通过lock和unlock指令实现线程同步。
二、锁的升级过程
锁的升级过程是一个动态调整的过程,JVM根据锁的竞争情况自动进行锁升级。
- 无锁状态到偏向锁:对象首次被线程访问时,JVM尝试设置偏向锁,记录线程ID。
- 偏向锁到轻量级锁:当有其他线程尝试获取锁时,如果偏向锁线程仍活跃,JVM撤销偏向锁,升级为轻量级锁。
- 轻量级锁到重量级锁:如果多个线程频繁竞争轻量级锁,JVM会将锁升级为重量级锁,以减少自旋开销。
三、实现步骤
以synchronized关键字为例,其实现步骤大致如下:
- 编译期:synchronized代码块被编译成字节码时,会包含monitorenter和monitorexit指令。
- 运行时:
- 当线程执行到monitorenter指令时,JVM检查对象头的Mark Word状态。
- 如果是无锁状态,JVM根据当前锁策略(偏向锁、轻量级锁、重量级锁)尝试获取锁。
- 如果获取锁成功,线程进入同步代码块执行。
- 执行完毕后,执行monitorexit指令释放锁。
四、不同锁状态适用的并发场景
锁状态 | 并发场景 | 性能特点 |
---|---|---|
无锁状态 | 线程安全非关键区域 | 无需同步,访问速度快,但无数据一致性保障 |
偏向锁 | 锁主要被一个线程持有 | 访问速度快,减少同步开销,适用于单线程访问同步块 |
轻量级锁 | 线程交替执行同步代码块 | 通过CAS和自旋尝试获取锁,减少线程阻塞和上下文切换,性能较好 |
重量级锁 | 锁竞争激烈,多线程频繁竞争 | 依赖操作系统互斥量,涉及线程阻塞和唤醒,性能开销较大,但线程安全保证强 |
五、简单示例
理解锁升级过程:
public class LockDemo {
public synchronized void method() {
// 同步代码块
}
public static void main(String[] args) {
LockDemo demo = new LockDemo();
// 线程A和线程B尝试同时访问demo对象的method方法
// 根据锁的竞争情况,JVM会自动进行锁升级
}
}
在上面的示例中,当线程A首次访问method
方法时,JVM会尝试将锁设置为偏向锁。如果线程B随后尝试访问该方法,且线程A仍活跃,JVM将撤销偏向锁并升级为轻量级锁。如果线程竞争进一步加剧,锁将最终升级为重量级锁。
结语
JVM中的锁实现机制是一个复杂但高效的系统,通过锁状态的升级和底层机制的支持,能够在不同并发场景下提供适当的同步保障和性能优化。了解锁的实现机制和升级过程对于开发高性能的多线程应用程序至关重要。
原文地址:https://blog.csdn.net/li_guolin/article/details/142585053
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