[并发进阶]——Synchronized 原理

Posted 2022-02-03 一定会去到彩虹海的麦当

笔记整理自 黑马程序员全面深入学习Java并发编程，也参考了《java并发编程的艺术》作为补充。

基本概念

synchronized也被称为重量级锁，利用synchronized实现同步的基础：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：

• 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。

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。

1、普通对象

2、数组对象

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。不同的锁标记位对应不同的状态。

Biased（偏向锁）、Lightweight Locked(轻量级锁)、Heavyweight Locked（重量级锁）

Monitor原理

synchronized基于进入和退出Monitor对 象来实现方法同步和代码块同步

Monitor 被翻译为监视器或管程 每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

Monitor 结构如下

运行流程分析：

• 刚开始 Monitor 中 Owner 为 null

  

• 当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一 个 Owner ，且同时把对象头中的锁标志位从01改为10，其他30位存储指向Monitor的指针

  对象头的变化：

  

  ====》

  

  

• 在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED

  

• Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的 ，比如这时Thread-1获得了锁

  

• 图中 WaitSet 中的 线程是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程

注意： synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果 不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

wait notify 原理

• Owner 线程发现条件不满足，调用 wait 方法，即可进入 WaitSet 变为 WAITING 状态
• BLOCKED 和 WAITING 的线程都处于阻塞状态，不占用 CPU 时间片
• BLOCKED 线程会在 Owner 线程释放锁时唤醒
• WAITING 线程会在 Owner 线程调用 notify 或 notifyAll 时唤醒，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入 EntryList 重新竞争

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。接下来我们来学习轻量级锁和偏向锁。

🚪打个比方：以前的重量级锁是小明直接给房间门上了防盗锁，上下文切换时需要把门锁上了，即时小明离开了房间，其他人也进不去。但很多时候他其实是用不到房间的，为了给其他人使用，同时也为了避免上锁的麻烦，他就跟其他人约定，谁用这个房间就在门外挂个写有他们自己姓名的牌，这样进门前看看这个牌上面是不是写着自己的名字，如果不是就在门外等。

这种通过一些简单的标记来表明这个资源已经被其他线程占用了的方式就是轻量级锁。

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以 使用轻量级锁来优化。

轻量级锁中通过对象头中是否存储了 锁记录地址和状态 来表明是否加锁了

接下来我们分析具体原理：

1、创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word

2、让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存 入锁记录

3、如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下

4、如果 cas 失败，有两种情况

• 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程

• 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

  

5、当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重 入计数减一

6、当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头

• 成功，则解锁成功
• 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有 竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁

• 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

  

• 这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

  • 即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
  • 然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

• 当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁 流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

###　自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步 块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。

在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会 高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。

Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现 这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

之前的例子中即时其他人几乎不用了，但小明每次还是要挂牌摘牌，还是很麻烦，于是可以在门上刻上自己名字，下次来用房间时，只要名字还在，那 么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小明刻的名字擦掉，升级为挂姓名牌的方式。

例如：

static final Object obj = new Object();
public static void m1() 
 synchronized( obj ) 
 // 同步块 A
 m2();
 

public static void m2() 
 synchronized( obj ) 
 // 同步块 B
 m3();
 

public static void m3() 
 synchronized( obj ) 
  // 同步块 C
 

• 使用轻量级锁时

• 使用偏向锁时

  

回忆一下对象头格式

一个对象创建时：

• 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的 thread、epoch、age 都为 0

• 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 - XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟

• 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、 age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值

特殊情况

1、撤销 - 调用对象 hashCode

调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销

• 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode

• 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

2、撤销 - 其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

3、撤销 - 调用 wait/notify

4、批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象 的 Thread ID 当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至 加锁线程

5、批量撤销

当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象 都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

6、锁消除

public class MyBenchmark 
    static int x = 0;
    @Benchmark
    public void a() throws Exception 
        x++;
    
    @Benchmark
    public void b() throws Exception 
        Object o = new Object();
        synchronized (o) 
            x++;
        
    

o对象没有逃逸出这个方法，JIT即时编译器就会优化去 掉这个锁

7、锁粗化

对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，可以使用锁粗化方式来优化，这不同于之前讲的细分锁的粒度