synchronized和Lock解析

Java中提供了synchronized和lock两种锁机制保证线程安全。

1 synchronized和lock的介绍和区别

(1)synrhronized关键字简洁、清晰、语义明确,其应用层的语义是可以把任何一个非null对象作为”锁”,当synchronized作用在方法上时,锁住的便是对象实例(this);当作用在静态方法时锁住的便是对象对应的Class实例,因为Class数据存在于永久带,因此静态方法锁相当于该类的一个全局锁;当synchronized作用于某一个对象实例时,锁住的便是对应的代码块。synrhronized是控制整块代码,等待线程不可中断,所有锁竞争都是非公平的,扩展低,有些场景不适合。
(2)lock需要自己加锁和解锁,通过lock()和unlock()显示指出,一般会在finally块中写unlock()以防死锁。可以中断等待线程,提供公平锁和非公平锁。

2 synchronized和lock的机制

synchronized原始采用的是CPU悲观锁机制,即线程获得的是独占锁。独占锁意味着其他线程只能依靠阻塞来等待线程释放锁。而在CPU转换线程阻塞时会引起线程上下文切换,当有很多线程竞争锁的时候,会引起CPU频繁的上下文切换导致效率很低。这个问题在jdk1.6以上已经优化,和lock的原理类似。
而Lock用的是乐观锁方式。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁实现的机制就是CAS操作(Compare and Swap)。我们可以进一步研究ReentrantLock的源代码,会发现其中比较重要的获得锁的一个方法是compareAndSetState。这里其实就是调用的CPU提供的特殊指令。

3 synchronized源码解析(转:深入JVM锁机制1-synchronized)

3.1线程状态及状态转换

当多个线程同时请求某个对象监视器时,对象监视器会设置几种状态用来区分请求的线程:
1)Contention List:所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列
2)Entry List:Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List
3)Wait Set:那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set
4)OnDeck:任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁,该线程称为OnDeck
5)Owner:获得锁的线程称为Owner
6)!Owner:释放锁的线程
下图反映了个状态转换关系:
状态图

新请求锁的线程将首先被加入到ConetentionList中,当某个拥有锁的线程(Owner状态)调用unlock之后,如果发现EntryList为空则从ContentionList中移动线程到EntryList,下面说明下ContentionList和EntryList的实现方式:

3.2ContentionList虚拟队列

ContentionList并不是一个真正的Queue,而只是一个虚拟队列,原因在于ContentionList是由Node及其next指针逻辑构成,并不存在一个Queue的数据结构。ContentionList是一个后进先出(LIFO)的队列,每次新加入Node时都会在队头进行,通过CAS改变第一个节点的的指针为新增节点,同时设置新增节点的next指向后续节点,而取得操作则发生在队尾。显然,该结构其实是个Lock-Free的队列。因为只有Owner线程才能从队尾取元素,也即线程出列操作无争用,当然也就避免了CAS的ABA问题。

3.3 EntryList

EntryList与ContentionList逻辑上同属等待队列,ContentionList会被线程并发访问,为了降低对ContentionList队尾的争用,而建立EntryList。Owner线程在unlock时会从ContentionList中迁移线程到EntryList,并会指定EntryList中的某个线程(一般为Head)为Ready(OnDeck)线程。Owner线程并不是把锁传递给OnDeck线程,只是把竞争锁的权利交给OnDeck,OnDeck线程需要重新竞争锁。这样做虽然牺牲了一定的公平性,但极大的提高了整体吞吐量,在Hotspot中把OnDeck的选择行为称之为“竞争切换”。

OnDeck线程获得锁后即变为owner线程,无法获得锁则会依然留在EntryList中,考虑到公平性,在EntryList中的位置不发生变化(依然在队头)。如果Owner线程被wait方法阻塞,则转移到WaitSet队列;如果在某个时刻被notify/notifyAll唤醒,则再次转移到EntryList。

4 lock源码解析(转:深入JVM锁机制2-Lock)

4.1 锁实现

简单说来,AbstractQueuedSynchronizer会把所有的请求线程构成一个CLH队列,当一个线程执行完毕(lock.unlock())时会激活自己的后继节点,但正在执行的线程并不在队列中,而那些等待执行的线程全部处于阻塞状态,经过调查线程的显式阻塞是通过调用LockSupport.park()完成,而LockSupport.park()则调用sun.misc.Unsafe.park()本地方法,再进一步,HotSpot在Linux中中通过调用pthread_mutex_lock函数把线程交给系统内核进行阻塞。
该队列如图:
队列图
与synchronized相同的是,这也是一个虚拟队列,不存在队列实例,仅存在节点之间的前后关系。令人疑惑的是为什么采用CLH队列呢?原生的CLH队列是用于自旋锁,但Doug Lea把其改造为阻塞锁。
当有线程竞争锁时,该线程会首先尝试获得锁,这对于那些已经在队列中排队的线程来说显得不公平,这也是非公平锁的由来,与synchronized实现类似,这样会极大提高吞吐量。
如果已经存在Running线程,则新的竞争线程会被追加到队尾,具体是采用基于CAS的Lock-Free算法,因为线程并发对Tail调用CAS可能会导致其他线程CAS失败,解决办法是循环CAS直至成功。AbstractQueuedSynchronizer的实现非常精巧,令人叹为观止,不入细节难以完全领会其精髓,下面详细说明实现过程:

4.2 流程

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final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}

public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) { //公平锁和非公平锁在的区别,自己可以去详细看看
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}

该方法会首先判断当前状态,如果c==0说明没有线程正在竞争该锁,如果不c !=0 说明有线程正拥有了该锁。
如果发现c==0,则通过CAS设置该状态值为acquires,acquires的初始调用值为1,每次线程重入该锁都会+1,每次unlock都会-1,但为0时释放锁。如果CAS设置成功,则可以预计其他任何线程调用CAS都不会再成功,也就认为当前线程得到了该锁,也作为Running线程,很显然这个Running线程并未进入等待队列。这个也是非公平锁的判断的地方,一个线程进来可以竞争锁,而公平锁会判断队列中是否有线程,有线程是不能去竞争锁。
如果c !=0 但发现自己已经拥有锁,只是简单地++acquires,并修改status值,但因为没有竞争,所以通过setStatus修改,而非CAS,也就是说这段代码实现了偏向锁的功能,并且实现的非常漂亮。

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private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);
// Try the fast path of enq; backup to full enq on failure
Node pred = tail;
if (pred != null) {
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) {
pred.next = node;
return node;
}
}
enq(node);
return node;
}

没有竞争锁成功则将当前线程添加到队列的尾节点,其中参数mode是独占锁还是共享锁,默认为null,独占锁。追加到队尾的动作分两步:
1)如果当前队尾已经存在(tail!=null),则使用CAS把当前线程更新为Tail
2)如果当前Tail为null或则线程调用CAS设置队尾失败,则通过enq方法继续设置Tail

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private Node enq(final Node node) {
for (;;) {
Node t = tail;
if (t == null) { // Must initialize
if (compareAndSetHead(new Node())) //初始化头结点和tail节点,头结点是一个空Node
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}

该方法就是循环调用CAS,即使有高并发的场景,无限循环将会最终成功把当前线程追加到队尾(或设置队头)。总而言之,addWaiter的目的就是通过CAS把当前现在追加到队尾,并返回包装后的Node实例。

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final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}

仔细看看这个方法是个无限循环,感觉如果p == head && tryAcquire(arg)条件不满足循环将永远无法结束,当然不会出现死循环,奥秘在于第12行的parkAndCheckInterrupt会把当前线程挂起,从而阻塞住线程的调用栈。
首先他还会竞争一下锁。不成功则看是否可以阻塞线程。

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private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus;
if (ws == Node.SIGNAL)
return true;


if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}

还用Node包装了各种线程状态:
SIGNAL(-1) :线程的next线程正/已被阻塞,当该线程release或cancel时要重新这个后继线程(unpark)
CANCELLED(1):因为超时或中断,该线程已经被取消
CONDITION(-2):表明该线程被处于条件队列,就是因为调用了Condition.await而被阻塞
PROPAGATE(-3):传播共享锁
0:0代表无状态

这个方法进来的时候waitStatus是初始值无状态的0,所以执行compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL),将waitStatus设置为SIGNAL,
那表示他的next节点必须是park状态, 继续上一个方法循环再次进这个方法则return true,当前加入的节点则会调用parkAndCheckInterrupt park线程。

如果前继节点状态为CANCELLED(ws>0),说明前置节点已经被放弃,则回溯到一个非取消的前继节点,返回false,acquireQueued方法的无限循环将递归调用该方法,直至规则1返回true。

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private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this);
return Thread.interrupted();
}

LockSupport.park最终把线程交给系统(Linux)内核进行阻塞。

5. Lock VS Synchronized

AbstractQueuedSynchronizer通过构造一个基于阻塞的CLH队列容纳所有的阻塞线程,而对该队列的操作均通
过Lock-Free(CAS)操作,但对已经获得锁的线程而言,ReentrantLock实现了偏向锁的功能。
synchronized的底层也是一个基于CAS操作的等待队列,但JVM实现的更精细,把等待队列分为ContentionList
和EntryList,目的是为了降低线程的出列速度;当然也实现了偏向锁,从数据结构来说二者设计没有本质区别。但synchronized还实现了自旋锁,并针对不同的系统和硬件体系进行了优化,而Lock则完全依靠系统阻塞挂起等待线程。
当然Lock比synchronized更适合在应用层扩展,可以继承AbstractQueuedSynchronizer定义各种实现,比如实现读写锁(ReadWriteLock),公平或不公平锁;同时,Lock对应的Condition也比wait/notify要方便的多、灵活的多。