Java で同期ロック拡張メカニズムを実装する方法-＆＃＆チュートリアル-php.cn

synchronized

JDK 1.5 では、synchronized は実装するためにモニターロック (Monitor) を呼び出す必要があり、モニターロックは基本的に基礎となる層に依存します。 OSのミューテックスロック(ミューテックスロック)によって実現されており、ミューテックスロックの解放や取得の際にはユーザーモードからカーネルモードへの変換が必要となるため、コストが高く、実行時間も長くなります。オペレーティングシステムのミューテックスロック実装に依存するものは、「ヘビーウェイトロック」と呼ばれます。

ユーザーモードとカーネルモードとは何ですか?

ユーザーモード: プロセスがユーザー独自のコードを実行しているとき、プロセスはユーザー実行状態であると言われます。カーネルモード: タスク (プロセス) がシステムコールを実行し、カーネルコードにトラップされるとき、プロセスはカーネル実行状態にあると言います。このとき、プロセッサは最高の特権レベルでカーネルコードを実行しています。。

Java で同期ロック拡張メカニズムを実装する方法

なぜカーネルモードとユーザーモードに分かれているのですか?

カーネルモードとユーザーモードの区別がないと仮定すると、プログラムは、メモリの読み取り、書き込み、割り当てなど、ハードウェアリソースを自由に読み書きできます。不適切な内容を記載すべきでない場所に書き込むと、システムがクラッシュする可能性があります。

プログラムはユーザーモードとカーネルモードを区別して動作を行う際に一連の検証・検査を行い、問題がないことを確認して初めてリソースを正常に動作させることができます。誤ってシステムに損傷を与える心配はありません。つまり、カーネルモードとユーザーモードを区別することで、プログラムをより安全に実行できますが、同時に、2 つのモードを切り替えると、一定のパフォーマンスのオーバーヘッドが発生します。

ロック拡張

JDK 1.6 では、ロックの取得と解放によるパフォーマンスの消費を解決するために、「バイアスロック」と「軽量ロック」の状態が導入されました。現時点では、合計 4 つの同期状態があります:

ロックなし
バイアスされたロック
軽量ロック
重量ロック

ロックのレベルは上記の順番でアップグレードされますので、これをアップグレードしましょう。このプロセスは「ロック拡張」と呼ばれます。

Java で同期ロック拡張メカニズムを実装する方法

PS: これまでのところ、ロックのアップグレードは一方向です。つまり、低から高へのみアップグレードできます (いいえ)ロック -> バイアスロック -> 軽量ロック -> 重量ロック)、ロックの劣化はありません。

ロック拡張により同期のパフォーマンスが最適化されるのはなぜですか?これらのロック状態を理解すれば、自ずと答えが見えてきますので、一緒に見ていきましょう。

バイアスされたロック

HotSpot 著者は研究と実践を通じて、ほとんどの場合、ロックをめぐるマルチスレッドの競合はなく、ロックは常に同じスレッドによって複数回取得されることを発見しました。スレッドがロックを取得できるようにするため、コストが低かったため、バイアスロックが導入されました。

バイアスロックとは、ロックにアクセスする最初のスレッドにバイアスがかかることを意味します。動作中に 1 つのスレッドだけが同期ロックにアクセスする場合、マルチスレッドの競合は発生しません。その場合、スレッドはロックを行う必要がありません。トリガー同期この場合、バイアスロックがスレッドに追加されます。

バイアスされたロックの実行プロセス

スレッドが同期されたコードブロックにアクセスしてロックを取得すると、ロックバイアスのスレッド ID がオブジェクトヘッダーのマークワードに格納され、スレッド ID は、スレッドが同期ブロックに出入りするときにオブジェクトヘッダーのマークワードに保存されます。CAS 操作によるロックとロック解除の代わりに、現在のスレッドを指すバイアスロックがマークワードに保存されているかどうかを検出します。 Mark Word のスレッド ID がアクセスされたスレッド ID と一致している場合は、コードに同期ブロックを直接入力できます。実行、スレッド ID が異なる場合は、CAS を使用してロックの取得を試みます。取得が成功した場合は、同期ブロックを使用してコードを実行します。それ以外の場合、ロックステータスは軽量ロックにアップグレードされます。

バイアスロックの利点

バイアスロックは、ロックの取得と解放が複数回に依存するため、マルチスレッドの競合がなく、不必要なロックの切り替えを最小限に抑えるように設計されています。CAS アトミック命令とバイアスロックスレッド ID を置き換えるときに CAS アトミック命令を 1 回実行するだけで済みます。

Mark Word Extended Knowledge: メモリレイアウト

HotSpot 仮想マシンでは、メモリに格納されているオブジェクトのレイアウトは次の 3 つの領域に分割できます。

オブジェクトヘッダー

#インスタンスデータ
##配置充填(パディング)

Mark Word (マークフィールド): バイアスロック情報は

この領域に保存されます。

#Klass Pointer (クラスオブジェクトポインター)

JDK 1.6 では、バイアスロックはデフォルトで有効になっていますが、「-XX:-UseBiasedLocking=false」コマンドを使用してバイアスロックを無効にできます。

軽量ロック

軽量ロックを導入する目的は、マルチスレッドの競合を行わずに、オペレーティングシステムにおける従来の重量ロックである Mutex Lock (ミューテックスロック) の使用を減らすことです。ロックによる消費。 Mutex Lock を使用する場合、ロックの取得と解放の各操作でユーザーモードとカーネルモードが切り替わり、システムに多大なパフォーマンスのオーバーヘッドが発生します。

バイアスロックがオフになっている場合、または複数のスレッドがバイアスロックを競合している場合、バイアスロックは軽量ロックにアップグレードされます。軽量ロックの取得と解放は CAS を通じて完了し、ロックの取得は完了するまでに特定の回数のスピンが必要になる場合があります。

注意事項

強調する必要があります: 軽量ロックは、重量ロックを置き換えるために使用されるものではありません. 本来の目的は、マルチスレッドの競合なしでそれらを使用することです。従来の重量ロックの使用によって生じるパフォーマンスの消費。軽量ロックが適応するシナリオは、スレッドが同期ブロックを交互に実行する状況であり、複数のスレッドが同時にアクセスすると、軽量ロックは重量ロックに拡張されます。

ヘビーウェイトロック

synchronized は、メソッド同期またはコードブロック同期を実装するためにモニターに依存します。コードブロック同期は、monitorenter 命令とmonitorexit 命令を使用して実装されます。monitorenter 命令は、次の場所に挿入された後にコンパイルされます。同期されたコードブロックの先頭に、monitorexit がメソッドと例外の最後に挿入されます。すべてのオブジェクトにはそれに関連付けられたモニターがあります。モニターが保持されると、ロック状態になります。

ロックコードは次のとおりです:

public class SynchronizedToMonitorExample {
    public static void main(String[] args) {
        int count = 0;
        synchronized (SynchronizedToMonitorExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                count++;
            }
        }
        System.out.println(count);
    }
}

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上記のコードをバイトコードにコンパイルすると、その内容は次のようになります:

Java で同期ロック拡張メカニズムを実装する方法

上記の結果から、main メソッドの実行中に、monitorenter 命令とmonitorexit 命令が複数存在することがわかります。Monitor モニターに依存して synchronized が実装されていることがわかります。モニターロックはオペレーティングシステムのミューテックスロックに依存しています。ミューテックスロックにより、ロックの取得と解放のたびにユーザーモードとカーネルモードが切り替わり、システムのパフォーマンスのオーバーヘッドが増加します。

以上がJava で同期ロック拡張メカニズムを実装する方法の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。