JUC并发编程（二）Monitor/自旋/轻量级/锁膨胀/wait/notify/锁消除

目录

一 基础

1 概念

2 卖票问题

3 转账问题

二 锁机制与优化策略

 0 Monitor 

1 轻量级锁

2 锁膨胀

3 自旋

4 偏向锁

5 锁消除

6 wait /notify

7 sleep与wait的对比

8 join原理

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一 基础

1 概念

临界区

一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，撑这段代码区为临界区。

竞态条件

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的

• 阻塞式的解决方案：synchronized,Lock
• 非阻塞式的解决方案：原子变量

2 卖票问题

代码实现：

首先代码实现了一个窗口类实现对卖票的相关业务逻辑，其次在主方法当中定义多个线程实现对票的购买，实现了sell方法的安全，random随机数的安全，集合的安全，同时利用.join方法等待所有线程执行结束。

package day01.mysafe;import java.util.ArrayList;
import java.util.List;import java.util.Vector;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;public class example1 {static int randomAmount() {return ThreadLocalRandom.current().nextInt(1, 6);}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//模拟卖票List<Integer> arr = new Vector<>();List<Thread> threads = new ArrayList<>();TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(1000);for (int i = 0; i < 2200; i++) {Thread t = new Thread(() -> {int num = ticketWindow.sell(randomAmount());arr.add(num);});threads.add(t);t.start();}//等待所有线程执行完for (Thread thread : threads) {thread.join();}System.out.println("剩余：" + ticketWindow.getAmount());System.out.println("卖出：" + arr.stream().mapToInt(x -> x == null ? 0 : x).sum());}
}/*** 窗口类*/
class TicketWindow {private int amount;public TicketWindow(int number) {this.amount = number;}public int getAmount() {return amount;}/*** 卖票*/public synchronized int sell(int amount) {if (this.amount >= amount) {this.amount -= amount;return amount;} else {return 0;}}
}

3 转账问题

加实例锁

锁的是当前对象，每个对象都有独立的锁，只影响一个实例的并发操作，多个实例可以并发进行。会出现死锁问题，当线程1 获取 a的锁，将a锁住需要修改b但是需要b的锁，此时需要等待b的锁，但是同时线程2获取b的锁，将b锁住需要修改a但是需要a的锁，两个线程相互等待，持续僵持导致死锁。

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;public class example2 {static int random() {return ThreadLocalRandom.current().nextInt(1, 100);}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Amount a = new Amount(1000);Amount b = new Amount(1000);Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 100; i++) {a.transfer(b, random());}}, "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 100; i++) {b.transfer(a, random());}}, "t2");t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.printf("余额为%d\n", b.getMoney() + a.getMoney());}}class Amount {private int money;public Amount(int money) {this.money = money;}public int getMoney() {return money;}public void setMoney(int money) {this.money = money;}//转账 （向a账户转账money元）public synchronized void transfer(Amount a, int money) {if (this.money >= money) {this.money -= money;a.money += money;}}}

加类锁

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;public class example2 {static int random() {return ThreadLocalRandom.current().nextInt(1, 100);}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Amount a = new Amount(1000);Amount b = new Amount(1000);Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 100; i++) {a.transfer(b, random());}},  "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 100; i++) {b.transfer(a, random());}},  "t2");t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.printf("余额为%d\n", b.getMoney()+a.getMoney());}}class Amount {private int money;public Amount(int money) {this.money = money;}public int getMoney() {return money;}public void setMoney(int money) {this.money = money;}//转账 （向a账户转账money元）public void transfer(Amount a, int money) {synchronized (Amount.class){if (this.money >= money) {this.money -= money;a.money += money;}}}}

二 锁机制与优化策略

 0 Monitor 

Monitor被翻译为监视器或管程。Monitor 是 JVM 实现 synchronized 的核心机制，通过 EntryList、WaitSet 和 Owner 管理线程对锁的访问。

当线程首次通过 synchronized 竞争 obj 的锁时，JVM 会在底层为其关联一个 Monitor，如果Owner没有对应的线程，则会成功获取线程锁，否则进入EntryList阻塞排队. (同一对象使用synchroized)

下面介绍线程持有锁并执行 wait/sleep 的运作状态（sleep可以在没有锁的状态运行，无锁就只释放CPU，有锁释放CPU，但锁不释放）

• 锁的争抢（进入EntryList）→ 持有（成为Owner）→ <wait>  主动让出,将锁释放（进入WaitSet）→ <notify> 唤醒后重新竞争->(进入EntryList)。

• 锁的争抢（进入EntryList）-->持有Owner -> <sleep> 主动让出CPU时间片，不释放锁，变为TIMED_WAITING状态同时维持Owner身份->时间结束后自动恢复运行，无需重新进入EntryList竞争。

Monitor 由以下核心组件构成：

• Owner（持有者）：当前持有锁的线程。
• EntryList（入口队列）：等待获取锁的线程队列。
• WaitSet（等待队列）：调用 wait() 方法后释放锁的线程队列。

1 轻量级锁

轻量级锁：如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（也就没有竞争），那么就可以使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，语法依旧是synchroized，不需要人工干预。

•  低竞争时用轻量级锁：当多线程竞争较小时（如交替执行同步代码），JVM 会优先使用轻量级锁（基于 CAS 操作），避免直接使用重量级锁（Monitor）的性能开销。

•  竞争加剧时升级：如果轻量级锁的 CAS 操作失败（其他线程同时竞争），JVM 会自动将其升级为重量级锁（通过操作系统互斥量实现阻塞）。

2 锁膨胀

锁膨胀是 JVM 在并发压力增大时，将轻量级锁升级为重量级锁的过程，以牺牲部分性能换取线程安全。

触发条件：

• 轻量级锁竞争失败：当多个线程同时竞争轻量级锁（CAS 操作失败），JVM 会将锁升级为重量级锁。

• 调用 wait()/notify()：这些方法需要重量级锁（Monitor）的支持，会强制触发膨胀。

• HashCode 冲突：若对象已计算哈希码，无法再使用偏向锁或轻量级锁，直接膨胀。

3 自旋

概念：自旋是“不停尝试”的锁获取策略

当首个线程获取轻量级锁后，第二个尝试访问的线程不会立即阻塞或促使锁升级，而是先进入自旋状态，等待原先的线程释放锁。若在自旋期间锁被释放，则该线程可直接获得锁，避免进入阻塞状态及触发锁升级至重量级锁，从而提高效率并减少资源消耗。这种机制有效降低了因锁升级带来的性能损耗，确保了在并发环境下的高效运行。

4 偏向锁

偏向锁是Java虚拟机（JVM）中一种针对同步操作的优化技术，主要用于减少无竞争情况下的同步开销。它是JVM锁升级机制的第一阶段（无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁）。

在JDK15及以后版本，由于现代硬件性能提升和其他优化技术的出现，偏向锁默认被禁用，因为其带来的收益已经不明显，而撤销开销在某些场景下可能成为负担。

偏向锁与轻量级锁之间的对比

偏向锁	轻量级锁
针对无竞争场景（同一线程多次获取锁）	针对低竞争场景（多个线程交替执行，无并发冲突）
消除整个同步过程的开销	避免操作系统互斥量（Mutex）的开销

偏向锁的核心机制

• 首次获取锁：
  通过一次 CAS操作 将线程ID写入对象头的Mark Word，之后该线程进入同步块无需任何原子操作。

• 无竞争时：
  执行同步代码就像无锁一样（仅检查线程ID是否匹配）。

• 遇到竞争：
  触发偏向锁撤销（需暂停线程），升级为轻量级锁。

轻量级锁的核心机制

• 加锁过程：

  1. 在栈帧中创建锁记录（Lock Record）

  2. 用CAS将对象头的Mark Word复制到锁记录中

  3. 再用CAS将对象头替换为指向锁记录的指针（成功则获取锁）

• 解锁过程：
  用CAS将Mark Word还原回对象头（若失败说明存在竞争，升级为重量级锁）。

 关键差异：

• 偏向锁：全程只需1次CAS（首次获取时）

• 轻量级锁：每次进出同步块都需要CAS（加锁/解锁各1次）

5 锁消除

锁消除是JVM中一项重要的编译器优化技术，它通过移除不必要的同步操作来提升程序性能。这项技术主要解决"无实际竞争情况下的无效同步"问题。

锁消除基于逃逸分析（Escape Analysis） 技术：

1. JVM在运行时分析对象的作用域

2. 判断对象是否会"逃逸"出当前线程（即被其他线程访问）

3. 如果确认对象不会逃逸（线程私有），则消除该对象的所有同步操作

public String concatStrings(String s1, String s2) {// StringBuilder是方法内部的局部变量StringBuilder sb = new StringBuilder();sb.append(s1);  // 内部有synchronized块sb.append(s2);  // 内部有synchronized块return sb.toString();
}

1. StringBuilder实例sb是方法局部变量

2. 逃逸分析确认sb不会逃逸出当前线程（不会被其他线程访问）

3. JIT编译器会消除所有synchronized同步操作

6 wait /notify

首先涉及三个组件，Owner，EntryList，WaitSet。

组件	存储线程状态	触发条件	是否持有锁	位置转移方向
Owner	RUNNABLE	成功获取锁	是	→ WaitSet (wait()时)
EntryList	BLOCKED	竞争锁失败	否	← WaitSet (notify()后)
WaitSet	WAITING	主动调用wait()	否	→ EntryList (被唤醒后)

一个线程进入时首先会尝试获取Owner权，也就是获取锁，但是同一时刻只能有一个线程持有锁，获取成功可以直接执行临界代码区，获取失败的线程待在EntryList当中，处于Blocked阻塞状态，在持有锁阶段可以使用wait方法，会使当前锁释放，并进入WaitSet当中，处于Waiting等待状态，其必须使用notify/notifyAll唤醒才可进入EntryList当中，从而再次得到竞争Owner的权力。

代码示意

代码开启两个线程，对同一个对象实例加锁，线程1进入锁后，执行wait进入WaitSet进入阻塞等待，线程1将锁释放，此时线程2获取到锁，将线程1唤醒，线程1将后续代码执行结束。

• 在线程2当中睡眠3s一定程度上确保其在线程1之后执行（一定程度上避免出现永久阻塞等待的状态），线程1阻塞等待，线程2唤醒。
• 线程1被唤醒之后会将线程当中剩余的代码执行结束，然后进入EntryList中。
• wait可加参数，相当于设置一个超时时间，在这个期间中等待，超时自动释放。
• 在类文件当中加入一个Boolean标志位可以防止虚假唤醒的出现，虚假唤醒指的是在没有明确使用notify/notifyAll对线程进行唤醒的条件下而被唤醒或者唤醒的并不是想要的。（借助while循环持续判断）

package day01.mysynchronized;public class Example4 {static final Object obj = new Object();static boolean isSignaled = false; // 新增标志位public static void main(String[] args) {System.out.println("线程1开始执行");Thread t1 = new Thread(() -> {try {synchronized (obj) {System.out.println("线程1处于等待状态....");// 循环检查标志位，防止虚假唤醒while (!isSignaled) {obj.wait();}System.out.println("线程1执行结束");}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}}, "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {System.out.println("线程2开始执行,睡眠3秒...");try {Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}synchronized (obj) {System.out.println("线程2对线程1进行唤醒");isSignaled = true; // 设置标志位为trueobj.notify();System.out.println("线程2执行结束，线程1被唤醒");}}, "t2");t2.start();t1.start();}
}

运行展示：

7 sleep与wait的对比

1 对于参数含义的不同

sleep(0)是一种主动让出时间片的过程，而wait(0) /wait() 是指长时间等待

2 调用位置的要求

sleep可以在任意位置调用，而wait必须在同步代码块当中调用。

3 唤醒机制

sleep：interrupt或者超时唤醒

wait：其他线程使用notify/notifyAll或者超时唤醒

4 线程改变的状态不同

线程持有锁并执行sleep，当前线程并不会释放当前持有的锁，而是携带锁休眠一段时间，持续处于Owner状态，休眠结束会继续执行代码逻辑。

线程持有并锁执行wait时，当前线程会释放当前持有的锁，并从持有管程Monitor转移到WaitSet等待队列当中，其他线程可以获取锁的持有权，可借助notify/notifyAll将锁唤醒，从WaitSet等待队列进入EntryList锁竞争队列当中。

8 join原理

join() 方法的实现基于 Java 的 等待-通知机制 和 线程状态管理

Thread.join() 的核心原理：

1. 基于 Java 内置锁（synchronized）

2. 使用等待-通知机制（wait/notify）

3. 依赖 JVM 的线程终止通知

4. 通过循环检查确保正确性

Thread.join() 通过 内置锁 确保线程安全，利用 等待-通知机制 实现阻塞与唤醒，依赖 JVM 的线程终止通知 自动触发唤醒，并通过 循环检查 防止虚假唤醒，最终实现线程间的有序协作。