面试~Synchronized 与锁升级

「爱情、让人受尽委屈。」 2024-04-06 13:44 76阅读 0赞

### 讲讲 Synchronized/ 讲讲 Synchronized 锁升级 ###

#### 内部实现 Markword ####

synchronized在修饰方法和代码块在字节码上实现方式有很大差异，但是**内部实现还是基于对象头的MarkWord来实现的**。

**jdk5 以前** —**重量级锁**

synchronized 只有重量级锁，Synchronized是通过**对象内部的**一个叫做 **监视器锁** （Monitor）来实现的。

但是 **监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的 互斥锁** Mutex Lock来实现的。

并且 **操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到内核态**，这个**成本非常高**，

状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized\*\*效率低\`\*\*的原因。

因此，这种依赖于操作系统的互斥锁 Mutex Lock实现的锁我们称之为 “重量级锁”。

**JDK6 开始** —**偏向锁、轻量锁**

对synchronized 进行优化，增加了自适应的 **CAS自旋、锁消除、锁膨胀、`偏向锁`、`轻量级锁`** 这些优化策略。

**锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁**。但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级

在 JDK 1.6 中**默认是开启偏向锁和轻量级锁的**，可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁 用偏向锁。

#### 偏向锁 ####

偏向锁的引进，因为HotSpot作者经过研究实践发现，

**在大多数的情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得**，为了让线程获得锁的代价更低，引进了偏向锁。

**在线程持有偏向锁之后，后续对同步代码块的访问都不需要获取锁、释放锁。**

**偏向锁是在单线程执行代码块时使用的机制**，如果在**多线程并发**的环境下（即**线程A 尚未执行完同步代码块，线程B发起了申请锁的申请**），则一定会转化为**轻量级锁或者重量级锁**。

> "偏向"的意思是，偏向锁**假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁（不会有任何线程再来申请锁）**，
> 
> 因此，只需要在**Mark Word中CAS记录owner**（本质上也是更新，但初始值为空），
> 
> 如果记录成功，则偏向锁获取成功，记录锁状态为偏向锁，以后当前线程等于owner就可以零成本的直接获得锁；
> 
> 否则，说明有其他线程竞争，膨胀为轻量级锁。

#### 轻量锁 ####

引入轻量级锁的目的其实是为了避免使用重量级锁。

通过CAS 自旋，**避免了短时间内对线程进行阻塞、唤醒，因为线程的阻塞、唤醒对应着操作系统的用户态和内核态的切换**，从而节省资源，提高程序运行的性能。

#### 所以说，各种锁并不是相互代替的，而是在不同场景下的不同选择 ####

*  偏向锁：无实际竞争，且将来只有第一个申请锁的线程会使用锁。
 *  轻量级锁：无实际竞争，多个线程交替使用锁；允许短时间的锁竞争。
 *  重量级锁：有实际竞争，且激烈竞争

##### synchronized锁升级过程总结：一句话，就是先自旋，不行再阻塞。 #####

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> 其他必备知识

### CAS 自旋 ###

// 执行一个无意义的循环，目的就是等代机会去竞争到锁
    while(true){
        
    	//空的
    	//一个:每次自旋的时间
    	//另外一个:自旋的次数
    }

##### 自旋的作用: #####

**避免了短时间内对线程进行阻塞、唤醒，因为线程的阻塞、唤醒对应着操作系统的用户态和内核态的切换**，从而节省资源，提高程序运行的性能。

### 锁信息存放 ###

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> **锁的信息是存放在对象头的 Mark word 中，Mark word 根据锁的状态，存储对应的锁的信息**

synchronized 与 锁升级：由**对象头中的 Mark Word** 根据 **锁标志位** 的不同而被复用及锁升级策略。

*  偏向锁：MarkWord 存储的是 **偏向的线程ID**；
 *  轻量锁：MarkWord 存储的是 **指向线程`栈`中Lock Record的指针**；
 *  重量锁：MarkWord 存储的是 **指向 `堆`中的 monitor对象的指针**；

### 锁的状态 ###

无锁状态

偏向锁状态

轻量级锁状态

重量级锁状态

![186ca9a0cd9aac2a4230ddefac13ce9a.png][]

### 各种锁的优点、缺点 ###

![2a2fa495e6abd5b4ed173ab7ea0b3e86.png][]

### 阿里巴巴开发手册 ###

【强制】高并发时，同步调用应该去考量 **`锁的性能损耗`** 。

**能用无锁数据结构，就不要用锁**；**能锁区块，就不要锁整个方法体**；**能用对象锁，就不要用类锁**。

说明：尽可能使加锁的代码块工作量尽可能的小，避免在锁代码块中调用RPC方法。

### 常见面试题 ###

#### 1、你提到了synchronized 的优化，详细说一下 偏向锁、轻量级锁有什么区别？ ####

CAS次数不同、是否主动释放锁

轻量级锁**每次申请、释放锁都至少需要一次CAS**，而偏向锁**只有初始化时需要一次CAS**.

**偏向锁，只偏向于第一个访问的线程**。在这个线程(线程A)**第一次来访问同步块时，会使用CAS，更新对象头的ThreadID为偏向线程的id**。后续的访问，只需要比较threadId是否相同，不需要CAS操作。且这个偏向的线程是不会主动十分锁的，除非出现线程来竞争。

当第二个线程(线程B)过来访问时，他并不知第一个线程已经存在。所以这第二个线程以为它是被偏爱的，它也想向偏向线程那样使用CAS初始化对象头的ThreadID，发现失败了。

**说明对象锁已经被其他线程占用，出现线程竞争**。

**检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活**，

如果**挂了**，则可以将对象变为**无锁**状态，然后**重新偏向**新的线程。

如果**线程还存活，则检查线程是否在执行同步代码块中的代码**，如果是，则升级为**轻量级锁**，进行CAS竞争锁。

**轻量级锁的CAS 是每次申请锁都需要执行的**。

#### 2、你平时是怎么使用 synchronized 关键字 ####

(1) **修饰实例方法**: 给当前对象实例加锁

synchronized void method() {
        
     //业务代码
    }

(2) **修饰静态⽅法**: 也就是给当前类加锁

synchronized void staic method() {
        
     //业务代码
    }

(3) 修饰代码块

synchronized(this|object|xx.class) {
        
     //业务代码
    }

> 单例模式的双重检索也是使用单例
> 
>     /* 双重检验锁  */
>     public class Singleton{
>          
>      private Singleton(){
>          }//构造器私有化，防止new，导致多个实例
>      private static volatile Singleton singleton;
>      public static Singleton getInstance(){
>          //向外暴露一个静态的公共方法  getInstance
>          //第一层检查
>          if(singleton == null){
>          
>              //同步代码块
>              synchronized (Singleton.class){
>          
>                   //第二层检查
>                  if(singleton == null) {
>          
>                      singleton = new Singleton();
>                  }
>              }
>     
>          }
>          return singleton;
>      }
>     }

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