Java并发机制synchronized底层原理源码分析

Posted 2021-04-05 Java技术汇

一、概念

是利用锁的机制来实现同步的（解决数据的不一致性 JMM）。

锁机制有如下两种特性：

互斥性：即在同一时间只允许一个线程持有某个对象锁，通过这种特性来实现多线程中的协调机制，这样在同一时间只有一个线程对需同步的代码块(复合操作)进行访问。互斥性我们也往往称为操作的原子性。

可见性：必须确保在锁被释放之前，对共享变量所做的修改，对于随后获得该锁的另一个线程是可见的（即在获得锁时应获得最新共享变量的值），否则另一个线程可能是在本地缓存的某个副本上继续操作从而引起不一致。

Synchronized (JUC) doga Lea

Lock{

A

B

C

}

二、synchronized的用法

根据修饰对象分类

1、同步方法

(1) 同步非静态方法

Public synchronized void methodName(){

……

}

(2) 同步静态方法

Public synchronized static void methodName(){

……

}

2、同步代码块

synchronized(this|object) {}

synchronized(类.class) {} Class

Private final Object MUTEX =new Object();

Public void methodName(){

Synchronized(MUTEX ){

……

}

}

根据获取的锁分类

1、获取对象锁

synchronized(this|object) {}

修饰非静态方法

在 Java 中，每个对象都会有一个 monitor 对象，这个对象其实就是 Java 对象的锁，通常会被称为“内置锁”或“对象锁”。类的对象可以有多个，所以每个对象有其独立的对象锁，互不干扰。

2、获取类锁

synchronized(类.class) {}

修饰静态方法

在 Java 中，针对每个类也有一个锁，可以称为“类锁”，类锁实际上是通过对象锁实现的，即类的 Class 对象锁。每个类只有一个 Class 对象，所以每个类只有一个类锁。

三、synchronized原理分析

1、线程堆栈分析（互斥）

Jconsole

Jstack pid

2、JVM指令分析

Javap -V 反编译

JVM 指令 200条

Monitorenter

Monitorexit

Getstatic

astore_n

aload_n

Monitor

(1)0,lock

(2) 重入

(3) monitor一个线程占有，其他线程请求时会进入BOLCK,直到monitor为0

Monitorexit

计数器减一，为0时为解锁

Javap -v

以上是代码块的加锁monitorenter和monitorExit配合使用

对方法的加锁

ACC_SYNCHRONIZED

1.6JDK以前重量锁

ACC_SYNCHRONIZED

对类的加锁：

3、使用synchronized注意的问题

（1）与moniter关联的对象不能为空

（2）synchronized作用域太大

（3）不同的monitor企图锁相同的方法

（4）多个锁的交叉导致死锁

synchronized底层语义原理

在JVM的规范中，有这么一些话： “在JVM中，每个对象和类在逻辑上都是和一个监视器（monitor）相关联的，为了实现监视器的排他性监视能力，JVM为每一个对象和类都关联一个锁，锁住了一个对象，就是获得对象相关联的监视器”

Synchronized

在 Java 中，每个对象都会有一个 monitor 对象，监视器。

1) 某一线程占有这个对象的时候，先monitor 的计数器是不是0，如果是0还没有线程占有，这个时候线程占有这个对象，并且对这个对象的monitor+1；如果不为0，表示这个线程已经被其他线程占有，这个线程等待。当线程释放占有权的时候，monitor-1；

2) 同一线程可以对同一对象进行多次加锁，+1，+1，重入性

而一个锁就像一种任何时候只允许一个线程拥有的特权. 一个线程可以允许多次对同一对象上锁.对于每一个对象来说,java虚拟机维护一个计数器,记录对象被加了多少次锁,没被锁的对象的计数器是0,线程每加锁一次,计数器就加1,每释放一次,计数器就减1.当计数器跳到0的时候,锁就被完全释放了.

Java虚拟机中的一个线程在它到达监视区域开始处的时候请求一个锁.JAVA程序中每一个监视区域都和一个对象引用相关联.

Java提供了synchronized关键字来支持内在锁。Synchronized关键字可以放在方法的前面、对象的前面、类的前面。

Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现， 无论是显式同步(有明确的monitorenter和monitorexit 指令,即同步代码块)还是隐式同步都是如此。在 Java 语言中，同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修饰的同步方法。同步方法 并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的，。下面先来了解一个概念Java对象头，这对深入理解synchronized实现原理非常关键。

理解Java对象头与Monitor

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

而对于顶部，则是Java头对象，它实现synchronized的锁对象的基础，这点我们重点分析它，一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的，jvm中采用2个字来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)，其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address 组成，其结构说明如下表：

其中Mark Word在默认情况下存储着对象的HashCode、分代年龄、锁标记位等以下是32位JVM的Mark Word默认存储结构

由于对象头的信息是与对象自身定义的数据没有关系的额外存储成本，因此考虑到JVM的空间效率，Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构，以便存储更多有效的数据，它会根据对象本身的状态复用自己的存储空间，如32位JVM下，除了上述列出的Mark Word默认存储结构外，还有如下可能变化的结构：

Synchronized(锁的状态) 1.6 锁优化的结果

Java虚拟机对synchronized的优化

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级，关于重量级锁，前面我们已详细分析过，下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段，这里并不打算深入到每个锁的实现和转换过程更多地是阐述Java虚拟机所提供的每个锁的核心优化思想，毕竟涉及到具体过程比较繁琐，如需了解详细过程可以查阅《深入理解Java虚拟机原理》。

偏向锁

偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它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，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

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(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

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，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间。

synchronized的可重入性

从互斥锁的设计上来说，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，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，这种情况属于重入锁，请求将会成功，在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性。

正如代码所演示的，在获取当前实例对象锁后进入synchronized代码块执行同步代码，并在代码块中调用了当前实例对象的另外一个synchronized方法，再次请求当前实例锁时，将被允许，进而执行方法体代码，这就是重入锁最直接的体现，需要特别注意另外一种情况，当子类继承父类时，子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor实现的，因此每次重入，monitor中的计数器仍会加1。

关注我：Java这点事