synchronized 实现原理

Posted 2022-08-19 流楚丶格念

文章目录

• • synchronized作用在代码块
  • • monitorenter：
    • monitorexit：
  • synchronized作用在方法上
  • synchronized锁存储位置
  • 总结扩展

synchronized作用在代码块

synchronized作用在代码块时，它的底层是通过monitorenter、monitorexit指令来实现的。

注意一点：synchronized可以修饰静态方法，但不能修饰静态代码块。
当修饰静态方法时，监视器锁（monitor）便是对象的Class实例，因为Class数据存在于永久代，因此静态方法锁相当于该类的一个全局锁。
静态代码块是类初始化时候运行的一段代码，无法初始化出Class实例

monitorenter：

每个对象都是一个监视器锁（monitor），当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权

这也是Synchronized 为什么被称为重量级锁的原因：

• Synchronized 是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock（互斥锁）来实现的。而操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么 Synchronized 效率低的原因。因此，这种依赖于操作系统 Mutex Lock 所实现的锁我们称之为 “重量级锁”。

指令执行过程如下：

• 如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1。
• 如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。

monitorexit：

注意：执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor持有者。

指令执行过程如下：

• monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个monitor的所有权。

monitorexit指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁，第2次为发生异步退出释放锁。

synchronized作用在方法上

方法的同步并没有通过 monitorenter 和 monitorexit 指令来完成，不过相对于代码块，其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。

JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的，执行步骤如下：

• 当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。
• 在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。

synchronized锁存储位置

Synchronized用的锁是存在java的对象头里面的。一个对象在new出来之后再内存中主要分为4个部分：

模块	说明
Mark Word	存储了对象的hashCode、GC信息、锁信息三部分。这部分占8字节。
Class Pointer	存储了指向类对象信息的指针。在64位JVM上有一个压缩指针选项-ClassPointer指针：-XX:+UseCompressedClassPointers 为4字节 不开启为8字节。默认是开启的。
实例数据(instance data)	记录了对象里面的变量数据。引用类型：-XX:+UseCompressedOops 为4字节 不开启为8字节 Oops Ordinary Object Pointers
Padding	作为对齐使用，对象在64位服务版本中，规定对象内存必须要能被8字节整除，如果不能整除，那么久靠对齐来不。举个例子：new出了一个对象，内存只占用18字节，但是规定要能被8整除，所以padding=6

Mark Word存储结构如下：

32位虚拟机下：

64位虚拟机下：

下面我们以 32位虚拟机为例，来看一下其 Mark Word 的字节具体是如何分配的：

• 无锁 ：对象头开辟 25bit 的空间用来存储对象的 hashcode ，4bit 用于存放对象分代年龄，1bit
  用来存放是否偏向锁的标识位，2bit 用来存放锁标识位为01。
• 偏向锁： 在偏向锁中划分更细，还是开辟 25bit 的空间，其中23bit 用来存放线程ID，2bit 用来存
  放 Epoch，4bit 存放对象分代年龄，1bit 存放是否偏向锁标识， 0表示无锁，1表示偏向锁，锁的
  标识位还是01。
• 轻量级锁：在轻量级锁中直接开辟 30bit 的空间存放指向栈中锁记录的指针，2bit 存放锁的标志
  位，其锁的标志位为00。
• 重量级锁： 在重量级锁中和轻量级锁一样，30bit 的空间用来存放指向重量级锁的指针，2bit 存放
  锁的标识位为11。
• GC标记： 开辟30bit 的内存空间却没有占用，2bit 空间存放锁标志位为11。

其中无锁和偏向锁的锁标志位都是01，只是在前面的1bit区分了这是无锁状态还是偏向锁状态。

总结扩展

两种同步方式本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

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。

synchronized关键字经过Javac编译之后，会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。这两个字节码指令都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。

如果Java源码中的synchronized明确指定了对象参数，那就以这个对象的引用作为reference。如果没有明确指定，那将根据synchronized修饰的方法类型（如实例方法或类方法），来决定是取代码所在的对象实例还是取类型对应的Class对象来作为线程要持有的锁。