synchronized 关键字

synchronized通过对象内部的一个叫做监视器锁的东西来实现的。

监视器锁本身依赖于操作系统底层的互斥锁Mutex Lock来实现的。

操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态,成本很高,状态转换要花费比较长的时间。

这就是synchronized效率低的原因。这种依赖于操作系统MutexLock实现的锁成为重量级锁。

synchronized v.s. volatile

Volatile:内存可见(不保证原子性,不保证互斥性);防止CPU指令重排(内存屏障)

扩展:

如何保证内存可见?

JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来为Java程序员提供内存可见性保证。

什么是内存屏障?

MM属于语言级的内存模型,它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上,通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序,为程序员提供一致的内存可见性保证。

happens-before规则

happens-before表示的是前一个操作的结果对于后续操作是可见的,它是一种表达多个线程之间对于内存的可见性。所以我们可以认为在 JMM 中,如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作必须要存在happens-before关系。这两个操作可以是同一个线程,也可以是不同的线程。

Synchronized v.s. Lock

Synchronized 对象头的偏向锁标志位?

java中的锁

对象头偏向锁

锁的状态由低到高:

无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

只能升级,不能降级。

锁状态 存储内容 标志位
无锁 对象的hashCode,对象分代年龄,是否是偏向锁(0) 01
偏向锁 偏向线程ID,偏向时间戳,对象分代年龄,是否偏向锁(1) 01
轻量级锁 指向栈中锁记录的指针 00
重量级锁 指向互斥量的指针 11

锁的对比

锁 优点 缺点 场景
偏向锁 加解锁不需要额外消耗,和执行非异步方法相比仅存在纳秒级差距。 若线程之间存在竞争,会代带来额外的锁撤销的消耗(撤销偏向锁会Stop The World) 使用于只有一个线程访问同步代码场景
轻量级锁 竞争的线程不会阻塞,提高了系统的响应速度 始终得不到锁的竞争线程,不断自旋会消耗CPU 追求响应速度,同步代码块执行速度非常快
重量级锁 线程竞争不使用自旋,不会消耗CPU 线程阻塞,响应时间慢 追求吞吐量,同步块执行速度较慢

锁如何升级

  • 无锁

    无锁是指线程通过无限循环来执行更新操作,如果执行成功就退出循环,如果执行失败(有其他线程更新了值),则继续执行,直到成功为止。CAS操作就属于无锁。如果从性能的角度来看,无锁状态的性能是非常高的。

  • 偏向锁

    偏向锁的前提假设是当一个线程获取锁,后面还有大概率该线程还会需要继续持有这把锁 。

    当有另外一个线程区尝试获取这个锁的时候,偏向模式就宣告结束。

    虚拟机启用偏向锁的参数-XX:UseBiasedLocking。如果当前偏向锁已启动,当锁对象第一次被线程获取的时候,虚拟机将会把对象头中的标志位设为01,即偏向模式。同时使用CAS操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的Mark Word之中,如果CAS操作成功,持有偏向锁的线程以后每次进入这个锁的同步块时,虚拟机都可以不用再进行同步操作了。

  • 轻量级锁

    当开始有锁的竞争了,那么偏向锁就会升级到轻量级锁;

    当获取锁冲突多,时间越长的时候,线程肯定无法继续在这里死等了,所以只好先挂起,然后等前面获取锁的线程释放了锁之后,再开启下一轮的锁竞争,而这种形式就是我们的重量级锁。

    在代码进入同步块的时候,如果此同步对象没有被锁定(锁标志位为01状态),虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间,用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝。

    然后,虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新动作成功了,那么这个线程就拥有了该对象的锁,并且对象Mark Word的锁标志位(Mark Word的最后2bit)将转变为00,即表示此对象处于轻量级锁定状态。 轻量级锁的前提假设是对于绝大部分的锁,在整个同步周期内都是不存在竞争的,通过CAS操作来避免时候互斥锁的开销

    关于自旋锁:

    自旋锁是一种通过让线程不释放当前的CPU执行一个忙循环,来尝试获取锁的方式。 自旋锁的前提假设是锁被其它线程占用的时间很短 。如果其它线程占用锁的时间很长,那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源,而不会做任何有用的工作,反而带来性能上的浪费。自旋次数的默认值是10次,用户可以通过使用参数-XX:PreBlockSpin来更改。

  • 重量级锁

    当有两个及以上的线程争用同一个锁,那么轻量级锁就不再有效,要膨胀为重量级锁。锁标志的状态值变为10,Mark Word中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针,后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

    • 偏向锁只有设置了-XX:UseBiasedLocking参数才会存在
    • 假设启用了偏向锁,对象头的锁标志位是01(和未锁定状态一样),但是存储的内容是偏向线程ID、偏向时间戳
    • 当线程获取偏向锁是通过CAS操作将对象头中存储的偏向线程ID更新为当前线程的ID
    • 对象是否被锁定是指对象头是否指向线程的锁记录(Lock Record)
    • 只有是轻量级锁或者重量级锁时对象才会被锁定

callable vs runnable

  • callable可与Future结合拿到线程结束后的返回值
  • callable的Callable的抽象方法有返回值。返回值类型就是泛型类型。
  • Callable接口带泛型
  • call()方法还能抛出异常。

线程池

为什么要用线程池?

为了减少在创建和销毁线程上所花的时间和对系统资源的消耗,解决资源不足的问题。

如果不适用线程池,有可能造成系统创建大量同类线程而消耗内存挥着”过度切换“问题。

四种线程池

  • SingleThreadPool:单个线程线程池
  • FixedThreadPool:指定大小的固定大小线程池
  • CachedThreadPool:
  • ScheduledThreadPool

问题

  • FixedThreadPool和SingleThreadPool:允许的请求队列长度为Interger.MAX_VALUE,可能会堆积大量请求,造成OOM;
  • CachedThreadPool和ScheduledThreadPool:允许的创建线程数量为Integer.MAX_VALUE,可能会创建大量线程,造成OOM。

线程池参数?

  • corePoolSize:核心线程数量,定义了最小可以同时运行的线程数量,没有任务也不会被回收。
  • maximumPoolSize:当线程数量大于核心线程数,且队列中存放的任务达到队列容量的时候,继续创建线程。
  • keepalivetime:超过corePoolSize之后”临时线程“的存活时间。
  • Time_unit:单位
  • workQueue:当新任务来的时候,保存未执行的任务。大于corePoolSize时进入阻塞队列等待。
  • threadFactory:线程工厂,用来创建线程,默认就行
  • RejectdExecutionHandler handler:拒绝策略,线程数量达到maximumPoolSize大小,且workQueue也塞满的情况下,线程池调用handler拒绝策略来处理请求。

拒绝策略:

  • AbortPolicy:默认拒绝策略,直接抛异常

  • DiscardPolicy:直接抛弃不处理。

  • DiscardOldestPolicy:丢弃队列中最老的任务。

  • CallerRunsPolicy:将任务分配给当前执行execute方法的线程来执行

    自定义拒绝策略:实现RejectedExecutionHandler接口,可以实现友好的拒绝策略。包括但不限于:将数据存入数据库,用日志处理等。