Java并发突击-synchronized(一)

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上一篇我们介绍了CAS，它是一种轻量级，通过原子指令对预期值与内存值进行比较交换来保证线程安全，它适用于一些并发场景较低的情况。今天我们来介绍一种在高并发场景下使用的锁-synchronized。

先来运行一个Demo：

package com.yqj.sync;  
  
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;  
  
@Slf4j  
public class SyncDemo {  
  
    private static int counter = 0;  
  
    public static void increment(){  
        counter++;  
    }  
  
    public static void decrement() {  
        counter--;  
    }  
  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        Thread t1 = new Thread(()->{  
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {  
                increment();  
            }  
        },"t1");  
  
        Thread t2 = new Thread(()->{  
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {  
                decrement();  
            }  
        },"t2");  
  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t1.join();  
        t2.join();  
        log.info("counter的值{}",counter);  
    }  
}

实际打印结果 以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作。

我们给上边的Demo加上Synchronzied再测试下:

  • 方法一： 
    public static synchronized void increment() {  
counter++;  
} 
public static synchronized void decrement() {  
counter--;
}
  • 方法二： 
    private static String lock = "";  

public static void increment() {  
        synchronized (lock){  
                        counter++;  
                }  
}  

public static void decrement() {  
        synchronized (lock) {  
                counter--;  
            }
}

加上以上两种方法之后，再运行最终结果：0

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性

image.png

synchronized底层原理

synchronized是JVM内置锁，基于Monitor机制实现，依赖底层操作系统的互斥原语Mutex（互斥量），它是一个重量级锁，性能较低。当然，JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、自适应自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。

Java虚拟机通过一个同步结构支持方法和方法中的指令序列的同步：monitor。

同步方法是通过方法中的access_flags中设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现；同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现。两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥原语mutex来实现，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切换，对性能有较大影响。

Mark Word记录锁状态

Hotspot通过markOop类型实现Mark Word，具体实现位于markOop.hpp文件中。由于对象需要存储的运行时数据很多，考虑到虚拟机的内存使用，markOop被设计成一个非固定的数据结构，以便在极小的空间存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。

简单点理解就是：MarkWord 结构搞得这么复杂，是因为需要节省内存，让同一个内存区域在不同阶段有不同的用处。

Mark Word的结构

//  32 bits:
//  --------
//             hash:25 ------------>| age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//             JavaThread*:23 epoch:2 age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//             size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)
//             PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
//
//  64 bits:
//  --------
//  unused:25 hash:31 -->| unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//  JavaThread*:54 epoch:2 unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//  PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
//  size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)
//
//  unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4    biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
//  JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4    biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
//  narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
//  unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)

。。。。。。
//    [JavaThread* | epoch | age | 1 | 01]       lock is biased toward given thread
//    [0           | epoch | age | 1 | 01]       lock is anonymously biased
//
//  - the two lock bits are used to describe three states: locked/unlocked and monitor.
//
//    [ptr             | 00]  locked             ptr points to real header on stack
//    [header      | 0 | 01]  unlocked           regular object header
//    [ptr             | 10]  monitor            inflated lock (header is wapped out)
//    [ptr             | 11]  marked             used by markSweep to mark an object
  • hash： 保存对象的哈希码。运行期间调用System.identityHashCode()来计算，延迟计算，并把结果赋值到这里。
  • age： 保存对象的分代年龄。表示对象被GC的次数，当该次数到达阈值的时候，对象就会转移到老年代。
  • biased_lock： 偏向锁标识位。由于无锁和偏向锁的锁标识都是 01，没办法区分，这里引入一位的偏向锁标识位。
  • lock： 锁状态标识位。区分锁状态，比如11时表示对象待GC回收状态, 只有最后2位锁标识(11)有效。
  • JavaThread*： 保存持有偏向锁的线程ID。偏向模式的时候，当某个线程持有对象的时候，对象这里就会被置为该线程的ID。 在后面的操作中，就无需再进行尝试获取锁的动作。这个线程ID并不是JVM分配的线程ID号，和Java Thread中的ID是两个概念。
  • epoch： 保存偏向时间戳。偏向锁在CAS锁操作过程中，偏向性标识，表示对象更偏向哪个锁。

32位JVM下的对象结构描述:

image.png 64位JVM下的对象结构描述:

image.png

偏向锁

偏向锁是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了消除数据在无竞争情况下锁重入（CAS操作）的开销而引入偏向锁。对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果。

当JVM启用了偏向锁模式（jdk6默认开启），新创建对象的Mark Word中的Thread Id为0，说明此时处于可偏向但未偏向任何线程，也叫做匿名偏向状态(anonymously biased)。

偏向锁延迟偏向 偏向锁模式存在偏向锁延迟机制：HotSpot 虚拟机在启动后有个 4s 的延迟才会对每个新建的对象开启偏向锁模式。JVM启动时会进行一系列的复杂活动，比如装载配置，系统类初始化等等。在这个过程中会使用大量synchronized关键字对对象加锁，且这些锁大多数都不是偏向锁。为了减少初始化时间，JVM默认延时加载偏向锁。

偏向锁撤销之调用wait/notify 偏向锁状态执行obj.notify() 会升级为轻量级锁，调用obj.wait(timeout) 会升级为重量级锁

轻量级锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间多个线程访问同一把锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

下一篇：Java并发突击-synchronized(二)-锁优化

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