java并发之synchronized

Posted miaomiaoLoveCode

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了java并发之synchronized相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

synchronized,在java并发编程中它一直都是元老级的角色。但是在大多数时候,如果能使用Lock大家可能都不会使用它,因为它是个重量级锁。但是随着jdk6引入偏向锁和轻量级锁,对它进行了各种优化之后,在一些情况下它并不是那么重了。本文将结合HotSpot 1.7源码,详细分析jdk6做出的相关优化。

synchronized实现分析

在开始分析synchronized具体实现之前,先了解一下java同步的基础。

Java同步基础

在java中,每一个对象其实都可以作为锁:

  • 对于同步方法,锁就是当前的实例对象;

  • 对于静态同步方法,锁就是当前对象的Class对象;

  • 对于同步方法块,锁是synchronized括号里的对象。

当一个线程尝试去访问同步代码块儿时,首先需要干的事儿就是得到锁,然后在程序执行完毕或者抛出异常时释放锁,那么现在问题就来了,锁存放在哪里呢?锁需要存储什么信息呢?

synchronized字节码分析

javap命令反编译后的字节码:

从上图可以看出,字节码中包含指令monitorenter和moniterexit。synchronized关键字基于这两个指令实现了代码同步块锁的获取和释放。

注:在JVM规范中,代码块同步是使用指令monitorenter和moniterexit实现,而方法同步是使用另外一种方式实现,具体的实现细节JVM规范没有做详细说明。monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置,moniterexit指令是插入到同步代码快结束和异常出,JVM要保证每个monitorenter指令都必须有moniterexit指令与之配对。JVM中的任何对象都有一个monitor与之关联,当有一个monitor被持有后,它将处于锁定状态,而线程执行到monitorenter指令时,将会尝试获取对象对应的monitor的所有权,这个过程也就是所谓的尝试获取对象的锁。

monitorenter实现

整个monitorenter主要干了这些事儿:

  1. 将入参JavaThread thread指向当前线程;

  2. 初始化当前线程的对象头;

  3. 判断当前虚拟机是否开启偏向锁功能,如果开启,调用fast_enter方法,否则,调用slow_enter方法。

Java对象头

monitorenter中很重要的一步就是构造Java对象头h_obj,同时,在后续的fast_enter或者slow_enter中,h_obj都作为一个入参参与到具体的逻辑中,锁其实就存储在Java对象头中。

对象头组成部分
如果对象类型是数组,虚拟机用3个Word存储对象头,如果对象类型是非数组类型,用2个Word存储对象头,接下来看看这几个Word都用来干什么。

  1. Mark Word:主要用来存储对象的hashCode、锁标记位、分代年龄等等,占用内存大小为1个Word;

  2. Class Metadata Address:主要用来存储对象类型数据的指针,占用内存大小为1个Word;

  3. Array Length:存储数组的长度,这部分只有在当前对象类型为数组时才存在,同样,占用内存大小也为1个Word。

接下来就详细了解与synchronized息息相关的Mark Word的相关内容。

HotSpot的Mark Word
HotSpot通过markOop.hpp实现了Mark Word。由于对象头需要存储的数据类型较多,充分考虑到内存的复用,markOop被设计成一个非固定的数据结构,可以根据标志位的变化而转变成不同类型的数据。

  • 32位虚拟机markOop实现

    • hash:对象hashCode;
    • age:对象的分代年龄;
    • biased_lock:是否是偏向锁;
    • lock:锁标志位;
    • JavaThread*:持有偏向锁的线程ID;
    • epoch:偏向锁时间戳

    在运行期间,随着锁标志位的变化,Mark Word可以变化成以下几种类型的数据:

  • 64虚拟机markOop实现

    在32位虚拟的markOop基础上增加了unused,同样的,在运行期间,随着标志位的变化Mark Work也会随之改变,在这里我就不做详细赘述了。

锁的升级

jdk 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,换句话说,在jdk 6及以后版本,锁一共有四种状态:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态,它会随着竞争情况逐渐升级。但是,锁一旦升级之后就不能降级,当然,不能降级也是为了提高获得锁和释放锁的效率。

偏向锁

引入偏向锁是为了让线程获取锁的代价更低。当一个线程访问同步代码块并且获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录中存储偏向锁偏向的线程ID,以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁,只需要校验对象头Mark Work中是否存储指向当前线程的偏向锁即可,节省了一部分CAS操作的性能消耗。不过,当多个线程竞争偏向锁时,需要撤销偏向锁,如果撤销偏向锁的性能消耗大于之前节省下来的那部分CAS操作的性能消耗,就得不偿失了。在jdk 6和jdk 7中,偏向锁默认是启用的,但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活,当然,如果不想偏向锁延迟激活,可以使用JVM参数-XX:BiasedLockingStartupDelay = 0来关闭延迟。当然,也可以用过JVM参数-XX:-UseBiasedLocking=false来关闭偏向锁,这时候,默认的锁状态是轻量级锁。

在HosSpot中,偏向锁的入口为synchronizer.cpp的fast_enter方法:

偏向锁的获取

注:偏向锁获取代码过长,在这里就不贴代码了,有兴趣的可以去openjdk对照相应的源码看看。

偏向锁的获取的实现逻辑如下:

  1. 获取对象头Mark Word mark;

  2. 判断对象头mark是否为可偏向状态,也就是判断mark的偏向锁biased_lock是否为1,lock状态是否为01;

  3. 判断对象头mark中的JavaThread* thread:

    • null == thread || thread == Thread.current,跳转到步骤4;

    • 否则,跳转到步骤5;

  4. 调用CAS指令设置mark中的JavaThread为当前线程:

    • 调用CAS成功,返回BIAS_REVOKED,锁获取成功,线程可以执行同步代码块;

    • 调用CAS失败,跳转到步骤5;

  5. 当调用CAS失败时,表明当前存在多个线程竞争锁,当达到safepoint时,挂起已获得偏向锁的线程,撤销偏向锁,并且调用slow_enter方法将当前锁升级为轻量级锁,获取到轻量级锁之后,唤醒被阻塞在safepoint的线程,线程继续执行同步代码块。

偏向锁的撤销

具体执行流程如下:

  1. 校验当前是否到达safepoint;

  2. 暂停已获取到偏向锁的线程;

  3. 撤销偏向锁,恢复锁标志位为01(无锁状态)或者00(轻量级锁状态)。

轻量级锁

注:轻量级锁的引入在一定程度上减少了锁的性能消耗,但是如果多个线程竞争时,轻量级锁还是会膨胀成重量级锁,所以,轻量级锁以及偏向锁的出现并不是想要替代重量级锁。

轻量级锁的获取
在HotSpot中,轻量级锁的入口为synchronizer.cpp的slow_enter方法:

具体执行流程如下:

  1. 获取对象头mark;

  2. 调用方法is_neutral()判断当前对象是否为无锁状态(mark的biased_lock为0,lock为01):

    • 无锁状态,跳转到步骤5;

    • 否则,跳转到步骤4;

  3. 调用set_displaced_header方法将对象头mark复制到锁记录中;

  4. 调用CAS指令尝试将对象头mark替换为指向锁记录的指针,如果成功,当前线程获取到锁,可以执行同步代码块,否则,跳转到步骤5;

  5. 如果对象头mark处于加锁状态,并且mark的锁记录指针指向当前线程,当前线程获取到锁,可以执行同步代码块,否则,当前存在多个线程竞争,调用inflate方法膨胀成重量级锁。

轻量级锁的释放
轻量级锁的释放是通过synchronizer.cpp的fast_exit完成的:

具体执行流程如下:

  1. 校验当前对象头mark是否不处于偏向锁状态:

    • 处于偏向锁状态,校验不通过,程序不往下执行;
    • 不处于偏向锁状态,校验通过,跳转到步骤2;
  2. 获取保存在BasicLock对象中的对象头dhw;

  3. 尝试使用CAS操作将dhw替换到当前对象头,如果替换成功,表示没有竞争发生,轻量级锁释放成功,否则,当前锁存在竞争,调用inflate方法膨胀成重量级锁。

到这里为止,就jdk 6对synchronized关键字做出的相关优化分析就告一段落了,synchronized还有一部分有关重量级锁的实现也会在后文做相应的介绍分析。希望对大家就synchronized关键词理解有所帮助。

以上是关于java并发之synchronized的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Java开发之高并发必备篇——线程安全操作之synchronized

java并发优化之锁lock

java并发优化之锁lock

Java并发编程之synchronized

java并发之CAS详解

深入理解Java并发之synchronized实现原理