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并发编程线程安全问题是每一位软件开发程序员在开发软件的时候都需要重点关注的一个问题,今天我们就通过案例分析来简单了解一下,Java编程并发线程安全分析。
1、synchronized底层实现原理
synchronized是由一对monitorenter/monitorexit指令实现的,Monitor对象是同步的基本实现单元。在Java6之前,Monitor的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁,因为需要进行用户态到内核态的切换,所以同步操作是一个无差别的重量级操作,性能也很低。但在Java6的时候,JVM对此进行了大刀阔斧地改进,提供了三种不同的Monitor实现,也就是常说的三种不同的锁:偏向锁(BiasedLocking)、轻量级锁和重量级锁,大大改进了其性能。
2、偏向锁/轻量级锁/重量级锁
偏向锁是为了解决在没有多线程的访问下,尽量减少锁带来的性能开销。
轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候,被另一个线程所访问,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,提高性能。
重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候,另一个线程虽然是自旋,但自旋不会一直持续下去,当自旋一定次数的时候,还没有获取到锁,就会进入阻塞,该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞,性能降低。
3、锁膨胀(升级)原理
Java6之后优化了synchronized实现方式,使用了偏向锁升级为轻量级锁再升级到重量级锁的方式,减低了锁带来的性能消耗,也就是我们常说的锁膨胀或者叫锁升级,那么它是怎么实现锁升级的呢?
锁膨胀(升级)原理:在锁对象的对象头里面有一个ThreadId字段,在一次访问的时候ThreadId为空,JVM让其持有偏向锁,并将ThreadId设置为其线程id,再次进入的时候会先判断ThreadId是否尤其线程id一致,如果一致则可以直接使用,如果不一致,则升级偏向锁为轻量级锁,通过自旋循环一定次数来获取锁,不会堵塞,执行一定次数之后就会升级为重量级锁,进入堵塞,整个过程就是锁膨胀(升级)的过程。
4、自旋锁
自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞,而是采用循环的方式去尝试获取锁,这样的好处是减少线程上下文切换的消耗,缺点是循环会消耗CPU。
5、乐观锁/悲观锁
悲观锁和乐观锁并不是某个具体的“锁”而是一种是并发编程的基本概念。
悲观锁认为对于同一个数据的并发操作,一定是会发生修改的,哪怕没有修改,也会认为修改。因此对于同一个数据的并发操作,悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为,不加锁的并发操作一定会出问题。
乐观锁则与Java并发包中的AtomicFieldUpdater类似,也是利用CAS机制,并不会对数据加锁,而是通过对比数据的时间戳或者版本号,来实现乐观锁需要的版本判断。
6、公平锁/非公平锁
公平锁是指多个线程按照申请锁的顺序来获取锁。
非公平锁是指多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序,有可能后申请的线程比先申请的线程优先获取锁。
如果使用synchronized使用的是非公平锁,是不可设置的,这也是主流操作系统线程调度的选择。通用场景中,公平性未必有想象中的那么重要,Java默认的调度策略很少会导致“饥饿”发生。非公平锁的吞吐量大于公平锁。
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