详解synchronized和锁升级，以及偏向锁和轻量级锁的升级

Posted 2021-06-27 业余草

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了详解synchronized和锁升级，以及偏向锁和轻量级锁的升级相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

你知道的越多，不知道的就越多，业余的像一棵小草！

成功路上并不拥挤，因为坚持的人不多。

编辑：业余草

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Synchronized 使用场景

synchronized 是一个同步关键字，在某些多线程场景下，如果不进行同步会导致数据不安全，而 synchronized 关键字就是用于代码同步。什么情况下会数据不安全呢，要满足两个条件：一是数据共享（临界资源），二是多线程同时访问并改变该数据。

例如：

public class AccountingSync implements Runnable{
    //共享资源(临界资源)
    static int i=0;

    /**
     * synchronized 修饰实例方法
     */
    public synchronized void increase(){
        i++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AccountingSync instance=new AccountingSync();
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

该段程序的输出为：2000000

但是如果 increase 的 synchronized 被删除，那么很可能输出结果就会小于 2000000，这是因为多个线程同时访问临界资源 i，如果一个线程 A 对 i=88 的自增到 89 没有被 B 线程读取到，线程 B 认为 i 仍然是 88，那么线程 B 对 i 的自增结果还是 89，那么这里就会出现问题。

synchronized 锁的 3 种使用形式（使用场景）：

synchronized 修饰普通同步方法：锁对象当前实例对象；
synchronized 修饰静态同步方法：锁对象是当前的类 Class 对象；
synchronized 修饰同步代码块：锁对象是 synchronized 后面括号里配置的对象，这个对象可以是某个对象（xlock），也可以是某个类（Xlock.class）；

注意：

使用 synchronized 修饰非静态方法或者使用 synchronized 修饰代码块时制定的为实例对象时，同一个类的不同对象拥有自己的锁，因此不会相互阻塞。
使用 synchronized 修饰类和对象时，由于类对象和实例对象分别拥有自己的监视器锁，因此不会相互阻塞。
使用使用 synchronized 修饰实例对象时，如果一个线程正在访问实例对象的一个 synchronized 方法时，其它线程不仅不能访问该 synchronized 方法，该对象的其它 synchronized 方法也不能访问，因为一个对象只有一个监视器锁对象，但是其它线程可以访问该对象的非 synchronized 方法。
线程 A 访问实例对象的非 static synchronized 方法时，线程 B 也可以同时访问实例对象的 static synchronized 方法，因为前者获取的是实例对象的监视器锁，而后者获取的是类对象的监视器锁，两者不存在互斥关系。

synchronized 实现原理

Java 对象头

首先，我们要知道对象在内存中的布局：

已知对象是存放在堆内存中的，对象大致可以分为三个部分，分别是对象头、实例变量和填充字节。

对象头的主要是由 MarkWord 和Klass Point(类型指针)组成，其中 Klass Point 是是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例，Mark Word 用于存储对象自身的运行时数据。如果对象是数组对象，那么对象头占用 3 个字宽（Word），如果对象是非数组对象，那么对象头占用 2 个字宽。（1word = 2 Byte = 16 bit）
实例变量存储的是对象的属性信息，包括父类的属性信息，按照 4 字节对齐
填充字符，因为虚拟机要求对象字节必须是 8 字节的整数倍，填充字符就是用于凑齐这个整数倍的

通过第一部分可以知道，synchronized 不论是修饰方法还是代码块，都是通过持有修饰对象的锁来实现同步，那么 synchronized 锁对象是存在哪里的呢？答案是存在锁对象的对象头的 MarkWord 中。那么 MarkWord 在对象头中到底长什么样，也就是它到底存储了什么呢？

在 32 位的虚拟机中：

在 64 位的虚拟机中：

上图中的偏向锁和轻量级锁都是在 java6以后对锁机制进行优化时引进的，下文的锁升级部分会具体讲解，synchronized 关键字对应的是重量级锁，接下来对重量级锁在 Hotspot JVM 中的实现锁讲解。

synchronized 在 JVM 中的实现原理

重量级锁对应的锁标志位是 10，存储了指向重量级监视器锁的指针，在 Hotspot中，对象的监视器（monitor）锁对象由 ObjectMonitor 对象实现（C++），其跟同步相关的数据结构如下：

ObjectMonitor() {
    _count        = 0; //用来记录该对象被线程获取锁的次数
    _waiters      = 0;
    _recursions   = 0; //锁的重入次数
    _owner        = NULL; //指向持有ObjectMonitor对象的线程 
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
  }

光看这些数据结构对监视器锁的工作机制还是一头雾水，那么我们首先看一下线程在获取锁的几个状态的转换：

线程的生命周期存在 5 个状态，start、running、waiting、blocking 和 dead

对于一个 synchronized 修饰的方法(代码块)来说：

当多个线程同时访问该方法，那么这些线程会先被放进 _EntryList 队列，此时线程处于 blocking 状态
当一个线程获取到了实例对象的监视器（monitor）锁，那么就可以进入running 状态，执行方法，此时，ObjectMonitor 对象的 _owner 指向当前线程，_count 加 1 表示当前对象锁被一个线程获取
当 running 状态的线程调用 wait() 方法，那么当前线程释放 monitor 对象，进入 waiting 状态，ObjectMonitor 对象的 _owner 变为 null，_count 减 1，同时线程进入 _WaitSet 队列，直到有线程调用 notify() 方法唤醒该线程，则该线程重新获取 monitor 对象进入 _Owner 区
如果当前线程执行完毕，那么也释放 monitor 对象，进入 waiting 状态， ObjectMonitor 对象的 _owner变为 null，_count 减 1

「那么 synchronized 修饰的代码块/方法如何获取 monitor 对象的呢？」

在 JVM 规范里可以看到，不管是方法同步还是代码块同步都是基于进入和退出monitor 对象来实现，然而二者在具体实现上又存在很大的区别。通过 javap 对 class 字节码文件反编译可以得到反编译后的代码。

synchronized修饰代码块

synchronized 代码块同步在需要同步的代码块开始的位置插入 monitorentry 指令，在同步结束的位置或者异常出现的位置插入 monitorexit 指令；JVM 要保证 monitorentry 和 monitorexit 都是成对出现的，任何对象都有一个 monitor 与之对应，当这个对象的 monitor 被持有以后，它将处于锁定状态。

例如，同步代码块如下：

public class SyncCodeBlock {
   public int i;
   public void syncTask(){
       synchronized (this){
           i++;
       }
   }
}

对同步代码块编译后的 class 字节码文件反编译，结果如下（仅保留方法部分的反编译内容）：

public void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter  //注意此处，进入同步方法
         4: aload_0
         5: dup
         6: getfield      #2             // Field i:I
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putfield      #2            // Field i:I
        14: aload_1
        15: monitorexit   //注意此处，退出同步方法
        16: goto          24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit //注意此处，退出同步方法
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:
      //省略其他字节码.......

可以看出同步方法块在进入代码块时插入了 monitorentry 语句，在退出代码块时插入了 monitorexit 语句，为了保证不论是正常执行完毕（第 15 行）还是异常跳出代码块（第 21 行）都能执行 monitorexit 语句，因此会出现两句 monitorexit 语句。

synchronized 修饰方法

synchronized 方法同步不再是通过插入 monitorentry 和 monitorexit 指令实现，而是由方法调用指令来读取运行时常量池中的 ACC_SYNCHRONIZED 标志隐式实现的，如果方法表结构（method_info Structure）中的 ACC_SYNCHRONIZED 标志被设置，那么线程在执行方法前会先去获取对象的 monitor 对象，如果获取成功则执行方法代码，执行完毕后释放 monitor 对象，如果 monitor 对象已经被其它线程获取，那么当前线程被阻塞。

同步方法代码如下：

public class SyncMethod {
   public int i;
   public synchronized void syncTask(){
           i++;
   }
}

对同步方法编译后的 class 字节码反编译，结果如下（仅保留方法部分的反编译内容）：

public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    //方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field i:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field i:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 10
}

可以看出方法开始和结束的地方都没有出现 monitorentry 和 monitorexit 指令，但是出现的 ACC_SYNCHRONIZED 标志位。

锁的优化

锁的 4 中状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态（级别从低到高），整个锁的状态从低到高变化的过程被称为所升级。

为什么要引入偏向锁？

因为经过 HotSpot 的作者大量的研究发现，大多数时候是不存在锁竞争的，常常是一个线程多次获得同一个锁，因此如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，才引入的偏向锁。

偏向锁的升级

当线程 1 访问代码块并获取锁对象时，会在 java 对象头和栈帧中记录偏向的锁的 threadID，因为「偏向锁不会主动释放锁」，因此以后线程1再次获取锁的时候，需要「比较当前线程的 threadID 和 Java 对象头中的 threadID 是否一致」，如果一致（还是线程 1 获取锁对象），则无需使用 CAS 来加锁、解锁；如果不一致（其他线程，如线程 2 要竞争锁对象，而偏向锁不会主动释放因此还是存储的线程 1 的 threadID），那么需要「查看 Java 对象头中记录的线程 1 是否存活」，如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态，其它线程（线程 2）可以竞争将其设置为偏向锁；如果存活，那么立刻「查找该线程（线程 1）的栈帧信息，如果还是需要继续持有这个锁对象」，那么暂停当前线程 1，撤销偏向锁，升级为轻量级锁，如果线程 1 不再使用该锁对象，那么将锁对象状态设为无锁状态，重新偏向新的线程。

偏向锁的取消

偏向锁是默认开启的，而且开始时间一般是比应用程序启动慢几秒，如果不想有这个延迟，那么可以使用 -XX:BiasedLockingStartUpDelay=0；

如果不想要偏向锁，那么可以通过 -XX:-UseBiasedLocking = false 来设置；

轻量级锁

为什么要引入轻量级锁？

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。因为阻塞线程需要 CPU 从用户态转到内核态，代价较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失了，因此这个时候就干脆不阻塞这个线程，让它自旋这等待锁释放。

轻量级锁什么时候升级为重量级锁？

线程 1 获取轻量级锁时会先把锁对象的「对象头 MarkWord 复制一份到线程 1 的栈帧中创建的用于存储锁记录的空间」（称为 DisplacedMarkWord），然后「使用 CAS 把对象头中的内容替换为线程 1 存储的锁记录（「DisplacedMarkWord」）的地址」；

如果在线程 1 复制对象头的同时（在线程 1 CAS之前），线程 2 也准备获取锁，复制了对象头到线程 2 的锁记录空间中，但是在线程 2 CAS 的时候，发现线程 1 已经把对象头换了，「线程 2 的 CAS 失败，那么线程 2 就尝试使用自旋锁来等待线程 1 释放锁」。

但是如果自旋的时间太长也不行，因为自旋是要消耗 CPU 的，因此自旋的次数是有限制的，比如 10 次或者 100 次，如果「自旋次数到了线程 1 还没有释放锁，或者线程 1 还在执行，线程 2 还在自旋等待，这时又有一个线程 3 过来竞争这个锁对象，那么这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁把除了拥有锁的线程都阻塞，防止 CPU 空转。」