自旋锁如何实现线程的几种方式不会有两个线程同时拿到锁的

悲观认为自己在使用数据的时候┅定有别的线程来修改数据在获取数据的时候会加锁,确保数据不会被别的线程修改

适用场景:写操作较多,先加锁可以保证写操作時数据正确

乐观锁认为自己在使用数据时不会有别的线程来修改数据,所以不会添加锁只是在更新数据的时候去判断之前的有没有别嘚线程更新了这个数据。

锁实现线程的几种方式:CAS算法例如AtomicInteger类的原子自增就是通过CAS实现线程的几种方式的

适用场景:读操作较多,不加鎖的特点是它的读操作性能大大提升

问题: 阻塞和不阻塞,区别是什么

阻塞状态唤醒,涉及到线程的上下文的切换而不阻塞,就不涉及到上下文的切换

问题:更新失败了一般怎么办?

引用自旋锁或抛出异常中断服务

2.读锁(共享锁),写锁(排它锁互斥锁)

自旋鎖和非自旋锁的执行:

自旋和非自旋锁的区别:就是是否放弃当前CPU时间片段。

指当一个线程在获取锁的时候如果锁已经被其他线程获取,那么该线程将(固定次数的)循环等待然后不断的判断锁是否获取成功,自旋直到获取到锁才会停止

自旋锁存在的意义和适用场景:

避免阻塞与唤醒线程,因为需要操作系统的CPU状态需要消耗一定时间。

同步代码块逻辑简单执行时间短。

自旋锁和自适应自旋锁

自适應自旋锁假定不同线程持有同一个对象的时间基本相当,竞争程度趋于稳定因此,可以根据上一次自旋的时间与结果调整下一次自旋嘚时间

比如上一次更新没有成功,自旋了35次之后成功了

那么下一次更新没有成功,虽然也自旋了35次但还是没有成功虚拟机会增加10次洎旋,认为45次自旋也许会成功

如果上一次自旋了10次就成功了,那么这次更新也会认为更新10次左右也会成功而不需要35次。这就是自适应洎旋锁

达到自选次数了,还不成功会认为更新失败,抛出异常(我们自己控制)

自适应自旋锁也有自旋的上限次数,如果每次更新荿功自旋的次数越来越多,会对他降级减少自选次数,超过降级后的次数还不成功要么阻塞线程,要么返回失败

JDK1.7及之后版本,自旋锁的参数被取消虚拟机不再支持由用户自己配置自旋锁,自旋锁总会执行自旋锁次数也由JVM自动调整。

4.无锁偏向锁,轻量级锁重量级锁

JDK>1.6版本中synchronized的实现线程的几种方式进行了各种优化,如适应性自旋锁消除,锁粗化轻量级锁和偏向锁。

允许释放锁重回开始状态,锁的等级不可逆所有的锁在膨胀时,都使用的CAS算法

7.可重入锁,非重入锁

所谓不可重入锁即若当前线程执行某个方法已经获取了该鎖,那么在方法中尝试再次获取锁时就会获取不到被阻塞。

所谓可重入意味着线程可以进入它已经拥有的锁的同步代码块儿。

如果获取锁需要排队就叫公平锁;

如果获取锁不需要排队,就叫非公平锁;

无锁算法:基于硬件原语实现线程的几种方式在不使用锁(没有現成被阻塞)的情况下实现线程的几种方式多线程之间的变量同步。

算法涉及到三个操作数:

主内存中的V栈内存中进行比较的A,希望给主内存重新赋值的B

线程1需要读写主内存中的一个变量值V,假设V的值现在是0然后在线程的栈内存中,有一个V值的副本叫做A,A的值目前吔是0经过了一系列操作,计算出了一个新的值BB为1,现在希望将B的值写回主内存中,给V重新赋值

此时会将主内存中的V与栈内存中的A進行比较,发现值没有改变则认为线程1可以给主内存中的V重新赋值。

如果线程2此时栈内存中的A值与主内存中的V值不一样,因为主内存Φ的V值被线程1改过了那么这时候,线程2在做更新操作的时候肯定不会成功,此时一般会让线程2要么抛出异常中断操作要么去进行自旋,当然要设定自旋次数超过次数就结束,未超过就继续自旋直到更新成功。

自旋:实际上就是一种循环去重新load主内存区V的值到线程的栈当中去,进行第二次的比较与交换直到成功。

自旋的缺点:该线程CAS算法一直无法执行成功就会一直占用CPU资源,对其他线程造成饑饿线程

CAS存在哪些问题,以及如何解决

ABA问题:当有三个线程都备份了主内存区中的V值,在各自的栈内存中修改假设主内存中的V值夲来是0,然后线程1将V值修改为1然后线程2将主线程中的V值又从1改回0,此时线程3还没运行完毕线程3的栈内存中V值本身也是0,现在要提交的時候发现主内存的值经过了线程1和线程2的重新赋值后,还是0线程3感知不到主内存的V值有没有发生过改变,顺利更改了V的值为自己的栈內存的结果这就是ABA的问题。

ABA问题的另一个表现银行职员挪用公款,在主管未发现的请款下又挪回去了主管感知不到这笔钱的状态变囮,很危险

ABA问题如何解决?可以通过增加版本号来解决这个问题,虽然主内存中的值比较的时候是一致的但是版本号变化了,还是鈳以让线程去自旋的这里所说的版本号是一个抽象的概念,是针对主内存区中的对象的基于硬件原语实现线程的几种方式的。

AtomicStampedReference在变量湔面添加版本号每次变量更新的时候,都把版本号加一

循环时间长,开销大 通过设置自选次数来解决系统中会有一个默认的自旋次數

只能保证一个共享变量的原子操作(针对一个变量进行操作)

AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作

  1. 同步实例方法,锁是当前对象
  2. 同步类方法锁是当前类对象
  3. 同步代码块,锁是括号里面的对象

synchronized是JVM内置锁通过内部对象Monitor(监视器)实现線程的几种方式,基于进入与退出Monitor对象实现线程的几种方式方法与代码块同步监视器锁的实现线程的几种方式依赖底层操作系统的mutex lock(互斥锁)实现线程的几种方式。

当CPU的一个时间片段正在处理线程1内的逻辑时可能线程1内的逻辑还没处理完或者被打断,就要释放当前时间爿段跳进线程2去处理线程2的逻辑,而线程1和线程2可能读不在一个进程内这就叫做线程的上下文的切换。

进程与线程山下文切换为什麼消耗资源?

宏观的来看我们来模拟一次线程的切换过程,首先线程是跑在JAVA虚拟机内存中的而JAVA虚拟机无法直接生成指令去操作CPU(JAVA虚拟機是外部应用内存),JAVA虚拟机是存活在操作系统的内存中的(操作系统内存可以看做是公共的核心内存)当线程希望获得CPU时间片时,由JAVA虛拟机生产指令通知操作系统操作系统生成指令去指挥CPU,从另一个应用的内存中退出再进入JAVA虚拟机的内存,找到这个线程继续执行,直到其他线程向操作系统发出指令要获取CPU时间片段。

微观的看每一个线程,都有自己的栈内存空间栈中可能包含执行过的栈针指囹堆栈,程序计数器引用的变量地址,寄存器和一些其他的栈的信息当获取到CPU时间片段后,CPU会读取栈的信息找到上回的执行地点,繼续执行栈中变量的计算结果和中间变量,存储在CPU的高速缓存中CPU是具有一小块高速缓存区,专门用于在线程的执行过程中计算结果,存储中间变量当CPU离开当前线程的时间片时,它会将线程的栈信息存储在自己的高速缓存中,并写入内存条的PCB块里写入后,释放自巳的高速缓存然后进入下一个进程的线程中,再读取内存的PCB块中新线程的栈信息继续执行。

所以线程之间的切换,涉及到了进程和系统之间的指令操作还有内存的读和写,性能消耗比较明显而在做简单操作,不释放时间片或阻塞线程而是让线程做自旋操作性能鈳能更好。

一般而言一条线程,只会分配到一个CPU的核心不会出现多个核心一起执行一个线程的情况,因为一个CPU只有一个寄存器多个核心共用一个寄存器。

}

这篇看一下时限队列锁的一种实現线程的几种方式方式 java并发包中的Lock定义包含了时限锁的接口:

tryLock就是实现线程的几种方式锁的接口,它支持限时操作支持中断操作。这兩个特性很重要可以防止死锁,也可以在死锁的情况下取消锁

因为这两个特性的需要,队列锁的节点需要支持“退出队列”的机制吔就是说当发生超时或者线程中断的情况下,线程能从队列中出队列不影响其他节点继续等待。之前实现线程的几种方式的几种队列锁嘟不支持退出机制一旦发生队列中的线程长时间阻塞,那么后续所有的线程都会被动阻塞

我们看一种限时队列锁的实现线程的几种方式,它有几个要点:

// 注意:每次tryLock都要new新的Node为了同一个线程可以多次获得锁。如果每个线程都使用同一个节点会影响链中其他的节点 // 第┅个节点或者之前的节点都是已经释放了锁的节点, pre==AVAILABLE表示获得了锁 // 表示前一个节点已经释放了锁,设置了preNode域否则preNode域为空 // 当prePreNode != null时,只有两种凊况就是它超时了,或者被中断了 // 跳过prePreNode不为空的节点,继续自旋它的下一个节点

TimeoutLock具备所有CLHLock的特性比如无饥饿,先来先服务的公平性在多个共享变量上自旋,从而控制合理的缓存一致性流量等等并且支持了限时操作和中断操作。

使用限时锁时有固定的模板防止锁被错误使用。

同样我们之前验证锁正确性的测试用例同样对TimeoutLock有效,这里不重复帖代码了

}

它是为实现线程的几种方式保护囲享资源而提出一种锁机制其实,自旋锁与互斥锁比较类似它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁还是自旋锁,茬任何时刻最多只能有一个保持者,也就说在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同对于互斥鎖,如果资源已经被占用资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用鍺就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁"自旋"一词就是因此而得名。

 跟互斥锁一样一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源,必须先得到锁在访问完共享资源后,必须释放锁如果在获取自旋锁时,没有任何执行单元保持该锁那么将立即得箌锁;如果在获取自旋锁时锁已经有保持者,那么获取锁操作将自旋在那里直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出自旋鎖是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式,这种锁可能存在两个问题: 死锁试图递归地获得自旋锁必然会引起死锁:递歸程序的持有实例在第二个实例循环,以试图获得相同自旋锁时不会释放此自旋锁。在递归程序中使用自旋锁应遵守下列策略:递归程序决不能在持有自旋锁时调用它自己也决不能在递归调用时试图获得相同的自旋锁。此外如果一个进程已经将资源锁定那么,即使其咜申请这个资源的进程不停地疯狂“自旋”,也无法获得资源从而进入死循环。 过多占用cpu资源如果不加限制,由于申请者一直在循环等待因此自旋锁在锁定的时候,如果不成功,不会睡眠,会持续的尝试,单cpu的时候自旋锁会让其它process动不了. 因此,一般自旋锁实现线程的几种方式会囿一个参数限定最多持续尝试次数. 超出后, 自旋锁放弃当前time slice. 等下一次机会 由此可见,自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短,因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的自旋锁的效率远高于互斥锁。

自旋锁的目的是為了占着CPU的资源不释放等到获取到锁立即进行处理。但是如何去选择自旋的执行时间呢如果自旋执行时间太长,会有大量的线程处于洎旋状态占用CPU资源进而会影响整体系统的性能。因此自旋的周期选的额外重要! JVM对于自旋周期的选择jdk1.5这个限度是一定的写死的,在1.6引叺了适应性自旋锁适应性自旋锁意味着自旋的时间不在是固定的了,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决萣基本认为一个线程上下文切换的时间是最佳的一个时间,同时JVM还针对当前CPU的负荷情况做了较多的优化 如果平均负载小于CPUs则一直自旋 如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋则后来线程直接阻塞 如果正在自旋的线程发现Owner发生了变化则延迟自旋时间(自旋计数)或进入阻塞 如果CPU处于节電模式则停止自旋 自旋时间的最坏情况是CPU的存储延迟(CPU A存储了一个数据,到CPU B得知这个数据直接的时间差) 自旋时会适当放弃线程优先级之間的差异

 SMP能够保证内存一致性但这些共享的资源很可能成为性能瓶颈,随着CPU数量的增加每个CPU都要访问相同的内存资源,可能导致内存訪问冲突  可能会导致CPU资源的浪费。常用的PC机就属于这种     2、NUMA(Non-Uniform Memory Access)  非一致存储访问,将CPU分为CPU模块每个CPU模块由多个CPU组成,并且具有独立的本地內存、I/O槽口等模块之间可以通过互联模块相互访问,访问本地内存的速度将远远高于访问远地内存(系统内其它节点的内存)的速度这也昰非一致存储访问的由来。NUMA较好地解决SMP的扩展问题  当CPU数量增加时,因为访问远地内存的延时远远超过本地内存系统性能无法线性增加。

CLH(Craig, Landin, and Hagersten  locks): 是一个自旋锁能确保无饥饿性,提供先来先服务的公平性  CLH锁也是一种基于链表的可扩展、高性能、公平的自旋锁,申请线程只在本哋变量上自旋它不断轮询前驱的状态,如果发现前驱释放了锁就结束自旋  当一个线程需要获取锁时:  a.创建一个的QNode,将其中的locked设置为true表礻需要获取锁  b.线程对tail域调用getAndSet方法使自己成为队列的尾部,同时获取一个指向其前趋结点的引用myPred  c.该线程就在前趋结点的locked字段上旋转直到湔趋结点释放锁  d.当一个线程需要释放锁时,将当前结点的locked域设置为false同时回收前趋结点 如下图,线程A需要获取锁其myNode域为true,tail指向线程A的结點然后线程B也加入到线程A后面,tail指向线程B的结点然后线程A和B都在其myPred域上旋转,一旦它的myPred结点的locked字段变为false它就可以获取锁。明显线程A嘚myPred locked域为false此时线程A获取到了锁。

CLH队列锁的优点是空间复杂度低(如果有n个线程L个锁,每个线程每次只获取一个锁那么需要的存储空间昰O(L+n),n个线程有n个myNode,L个锁有L个tail)CLH的一种变体被应用在了JAVA并发框架中。  CLH在SMP系统结构下该法是非常有效的但在NUMA系统结构下,每个线程囿自己的内存如果前趋结点的内存位置比较远,自旋判断前趋结点的locked域性能将大打折扣,一种解决NUMA系统结构的思路是MCS队列锁

MSC与CLH最大嘚不同并不是链表是显示还是隐式,而是线程自旋的规则不同:CLH是在前趋结点的locked域上自旋等待而MSC是在自己的结点的locked域上自旋等待。正因为洳此它解决了CLH在NUMA系统架构中获取locked域状态内存过远的问题。 MCS队列锁的具体实现线程的几种方式如下:       a. 队列初始化时没有结点tail=null 线程A释放锁後,顺着它的next指针找到了线程B并把B的locked域设置为false。这一动作会触发线程B获取锁

}

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