synchronized 的实现原理以及锁升级详解

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了synchronized 的实现原理以及锁升级详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。


文章目录

写在前面

在多线程并发编程中 synchronized 一直是元老级角色，很多人都会称呼它为重量级锁。但是，随着 Java SE 1.6 对 synchronized 进行了各种优化之后，有些情况下它就并不那么重了。

Java SE 1.6 中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁，在此了解一下锁的存储结构和升级过程。

synchronized的实现

Java 中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下 3 种形式（此处具体代码略）。

  • 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
  • 对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象。
  • 对于同步方法块，锁是 Synchonized 括号里配置的对象。

那么问题来了，当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。那么锁到底存在哪里呢？锁里面会存储什么信息呢？

从 JVM 规范中可以看到 Synchonized 在 JVM 里的实现原理，JVM 基于进入和退出Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在 JVM 规范里并没有详细说明。但是，方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。

monitorenter 指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而 monitorexit 是插入到方法结束处和异常处，JVM 要保证每个 monitorenter 必须有对应的 monitorexit 与之配对。任何对象都有一个 monitor 与之关联，当且一个 monitor 被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到 monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权，即尝试获得对象的锁。

synchronized


synchronized

Java对象头

synchronized 用的锁是存在 Java 对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用 3个字宽（Word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用 2 字宽存储对象头。在 32位虚拟机中，1 字宽等于 4 字节，即 32bit，如下表所示。

synchronized


Java 对象头里的 Mark Word 里默认存储对象的 HashCode、分代年龄和锁标记位。32位 JVM 的 Mark Word 的默认存储结构如下表所示。

synchronized


在运行期间，Mark Word 里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下 4 种数据，如下表所示。

synchronized


在 64 位虚拟机下，Mark Word 是 64bit 大小的，其存储结构如下表所示。

synchronized

锁的升级与对比

Java SE 1.6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。

在 Java SE 1.6 中，锁一共有 4 种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。

锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

synchronized

无锁

无锁是指没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

无锁的特点是修改操作会在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

偏向锁

HotSpot的作者经过研究发现，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，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。

当一个线程访 问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程 ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象 头的 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置成 1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用 CAS 竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS 将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word 要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

synchronized


所以，锁可以升级但不能降级，但是偏向锁状态可以被重置为无锁状态。

关闭偏向锁

偏向锁在 Java 6 和 Java 7 里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用 JVM 参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过 JVM 参数关闭偏向锁：-XX:- UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

synchronized

轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM 会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中，官方称为 Displaced Mark Word。然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

轻量级锁解锁

轻量级解锁时，会使用原子的 CAS 操作将 Displaced Mark Word 替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

因为自旋会消耗 CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

锁的优缺点对比

锁

优点

缺点

适用场景

偏向锁

加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距

如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗

适用于只有一个线程访问同步块场景

轻量级锁

竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度

如果始终得不到索竞争的线程，使用自旋会消耗CPU

追求响应速度，同步块执行速度非常快

重量级锁

线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU

线程阻塞，响应时间缓慢

追求吞吐量，同步块执行速度较慢

锁的验证

通过前面我们可以知道，通过java对象头可以看出该对象是否加了锁、加了哪种锁。

引入jar包

该jar包无法使用pom直接导入，只能下载jar包后手动导入。

jol-cli-0.10-full.jar

地址：​​org/openjdk/jol/jol-cli​​ 版本：0.10（选择自己要的版本即可）

jar：jol-cli-0.10-full.jar

synchronized

无锁

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * 无锁
 */
public class NoLock 
    private static Object o = new Object();

    public static void main(String[] args) 
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

synchronized


其中，第一位0表示unused；第2-5位0000表示分代年龄；第6位0表示是否是偏向锁；第7-8位01是锁标志位。

该实例表示Object处于无锁状态。

偏向锁

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class DeflectionLock 
    static LockT a;
    static class LockT

    public static void main(String[] args) throws Exception 
        // 虚拟机启动时对偏向锁有延时
        Thread.sleep(5000);
        // 使用这种方式会将a编程偏向锁，即使不加synchronized也是偏向锁，不知道为啥。。。。
        a = new LockT();
        synchronized (a)
            System.out.println("Locking...");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

synchronized


后面的101表示偏向锁。

轻量级锁

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class LightweightLocking 
    static LockT a;
    static class LockT
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        // 虚拟机启动时对偏向锁有延时
        Thread.sleep(5000L);
        a = new LockT();
        // 偏向锁
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        
        Thread thread1 = new Thread(LightweightLocking::lock);
        thread1.start();
        System.out.println("thread1的id:"+thread1.getId());
        
        // 加个睡眠是怕上面的线程没有执行完成而形成线程争用而升级为重量级锁
        Thread.sleep(3000L);
        // 成为轻量级锁
        lock();
        // 锁撤销为无锁
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
    

    private static void lock() 
        synchronized (a) 
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

synchronized

重量级锁

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class HeavyweightLock 
    static LockT a;
    static class LockT

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        // 虚拟机启动时对偏向锁有延时
        Thread.sleep(5000L);
        a = new LockT();

        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

        new Thread(HeavyweightLock::lock).start();

        lock();

        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
    

    private static void lock() 
        synchronized (a) 
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

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参考资料

《java并发编程的艺术》

本节一些内容参考了 HotSpot 源码、对象头源码 markOop.hpp、偏向锁源码 biasedLocking.cpp，以及其他源码 ObjectMonitor.cpp 和 BasicLock.cpp

​​JUC学习 - 锁升级​​

​​锁（synchronized）升级过程（java）​​


以上是关于synchronized 的实现原理以及锁升级详解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

synchronized和volatile关键字实现和底层原理详解

Java多线程系列：深入详解Synchronized同步锁的底层实现

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详解synchronized和锁升级，以及偏向锁和轻量级锁的升级

synchronized关键字实现原理

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