Synchronized原理

小饭328
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1、Synchronized特性

  • 原子性
    • 原子性就是指一个或者多个操作不会被任何因素打断要么执行完整，要么就都不执行，被synchronized修饰的类或者对象的所有操作都是原子的，因为在执行操作之前都必须获得类或者对象的锁，执行完之后才能释放锁，，执行过程中不会被其他线程所终端，这就保证了其原子性
  • 可见性
    • 指多个线程访问同一个资源的时候，该资源的状态、值信息对于其他线程是可见的
    • synchronized和volatile都具有可见性，synchronized对一个类或者对象加锁时，一个线程如果要访问该类或对象必须先获得他的锁，锁状态对于其他线程都是可见的，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存中，保证了资源变量的可见性，如果某个线程占用了该锁，其他线程就必须在锁池内等待锁的释放，然后再重新去竞争锁
  • 有序性
    • 有序性指程序的执行按照代码先后进行执行，因为Java允许编译器和处理器根据情况对指令进行重排序，指令的重排序并不会影响单线程的顺序，它会影响多线程并发执行的顺序性，synchronized保证了每个时刻都只有一个线程访问同步代码块，也就确定了线程执行同步代码块是分先后顺序的，保证了有序性
  • 可重入性
    • synchronized和ReentrantLock都是可重入锁，当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程重复再次请求自己持有对象锁的临界资源，属于重入锁

2、 Monitor（锁）

Java对象头

以32位虚拟机为例

  • 普通对象
    • 对象头为8个字节，其中四个字节为Mark Word 另外四个字节为Klass Word，Klass Word是一个指针，指向了对象所存储的class，通过这个指针可以找到类对象
  • 数组对象
    • 对象头为12个子街，其中四个字节为Mark Word 另外四个字节为Klass Word，多了四个字节用来存储数组的长度

Mark Word结构：

Mark Word（30bits）State
hashcode：25 age：4 biased_lock:0 01Normal（正常状态）
thread:23 epoch:2 age:4 biased_lock:1 01biased（偏向状态）
ptr_to_lock_record:30 00Lightweight Locked（轻量级锁）
ptr_to_heavyweight_monitor30 10Heavyweight Locked（重量级锁）
11Marked For Gc

age：JVM分代年龄

biased_lock：偏向锁

01、00、10：标识加锁状态，01代表没有和任何锁关联，一旦获得了锁该对象的锁标识状态修改为10，并把ptr_to_heavyweight_monitor:30变成指向Monitor对象的指针，占用30位 10占用2位，清除hashCode 和分代年龄等信息，00代表轻量级锁

概念

Monitor被翻译为监视器或者管程，每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用synchronized给对象加锁（重量级锁）的时候，该对象头中的Mark Word中就被设置指向Monitor对象的指针

Monitor三个属性：

  • WaitSet：
  • EntrySet：阻塞队列
  • Owner：存储锁的所有者

加锁流程

  • 当使用synchronized给对象加锁后，Thread1执行给对象obj加锁，obj的MarkWord会用一个指针指向操作系统提供的Monitor对象，在obj的MarkWord中记录了指向Monitor对象的指针地址
  • 当有Thread2执行时，会先去检查obj对象是否有关联锁，检查关联Monitor中的Owner查看该锁是否有持有者，有的话，Thread2就会进入EntryList阻塞队列，然后该线程进入BLOCKED状态
  • Thread1执行完临界区代码后，Monitor就回去EntryList阻塞队列中唤醒阻塞的线程，然后其他线程再去竞争锁，竞争时是非公平的

锁膨胀流程

无锁 --------->偏向锁---------->轻量级锁---------->重量级锁

偏向锁

Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

获取流程

  1. Thread1查看obj对象中偏向锁的标识以及锁标志位，若是否偏向锁为1且锁标志位为01，则该锁为可偏向状态
  2. 如果是可偏向状态，则检查MarkWord中的线程ID是否和当前线程一致，如果相同就执行同步代码
  3. 如果不相同，当前线程通过CAS操作竞争锁，如果竞争成功，，将MarkWord中的线程Id设置为当前线程ID，然后执行同步代码
  4. 如果竞争失败，当到达全局安全点时之前获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。

释放：偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁的时候，持有偏向状态的线程才会释放锁，偏向锁的撤销需要等待全局安全点（即没有字节码正在执行），它会暂停拥有偏向锁的线程，撤销后偏向锁恢复到未锁定状态或轻量级锁状态。

轻量级锁

为了减少在没有锁竞争的时候，获得锁和释放锁带来的性能消耗，JDK6引入了轻量级锁。轻量级锁在对象内存布局中 MarkWord 锁标志位为 00，它可以由偏向锁对象因存在多个线程访问而升级成轻量级锁，轻量级锁也可能因多个线程同时访问同步代码块升级成重量级锁。

加锁流程

假设此时由两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object(); public static void method1() { synchronized( obj ) { // 同步块 A method2(); } } public static void method2() { synchronized( obj ) { // 同步块 B } }

  1. 当Thread1执行代码进入同步代码块时，如果对象的MarkWord的锁标志位为01无锁状态，虚拟机会在该线程的栈帧中创建一个Lock Record对象，用来存储锁定当前对象的MrakWord
  2. 然后复制对象头中的MarkWord到锁记录中，复制成功后，让锁记录中的Object reference会指向锁对象，并用CAS尝试替换对象头的中的MarkWord为Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word
  3. 如果CAS替换成功，对象头中存储的内容会编程 锁记录的地址，锁状态标识会变成00，表示由Thread1给该对象加锁，处于轻量级状态
  4. 如果CAS加锁失败，可能会有两种情况，这是虚拟机会检查对象头中的MarkWord的Lock Record指针是否指向当前线程的栈帧，如果是则说明当前线程执行了锁冲入，那么就会在当前线程的栈帧中再添加一条LockRecord作为锁重入的计数，如果不是当前线程的栈帧，则说明是其他线程已经持有了该obj的轻量级锁，此时发现有锁竞争的情况，则进入锁膨胀状态
  5. 当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减1

自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

  • 自旋会占用CPU时间，单核CPU自旋就是浪费资源，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
  • Java6之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功之后，那么这一次自旋就会多自旋几次，反之就会少自旋甚至不自旋
  • Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，在JIT编译时，对运行上下文进行扫描，去除不可能存在竞争的锁。

锁粗化

锁粗化是虚拟机对另一种极端情况的优化处理，通过扩大锁的范围，避免反复加锁和释放锁。

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