synchronized关键字实现原理

Posted 2022-01-01 小志的博客

目录

• • 一、synchronize关键字概述
  • 二、synchronized关键字实现原理
  • 三、为什么采用自旋而不是等待
  • 四、忙循环概述
  • 五、synchronize锁升级原理
  • • 1、偏向锁为轻量级锁过程
    • 2、轻量级升级为重量级锁过程
    • 3、锁的升级的目的
  • 六、偏向锁概述
  • 七、轻量级锁概述
  • 八、重量级锁概述

一、synchronize关键字概述

• 在Java中，synchronized关键字是用来控制线程同步的，就是在多线程的环境下，控制synchronized代码段不被多个线程同时执行。
• synchronized可以修饰类、方法、变量。
• 在Java早期版本中，synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁(monitor)是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程，都需要操作系统帮忙完成，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态，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，这也是为什么早期的 synchronized效率低的原因。
• 在java 6之后Java官方对从JVM的层面对synchronized较大优化，所以现在的synchronized锁效率也优化得很不错了。JDK1.6对锁的实现引入了大量的优化，如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销。

二、synchronized关键字实现原理

• synchronized的语义底层是通过监视器锁（monitor）的对象来完成，每个对象有一个monitor。每个synchronized修饰过的代码当它的monitor 被占用时就会处于锁定状态并且尝试获取monitor的所有权，过程如下所示：
  （A）、 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。
  （B）、如果线程己经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor 的进入数加1。
  （C）、如果其他线程己经占用了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。

三、为什么采用自旋而不是等待

• 很多synchronized里面的代码只是一些很简单的代码，执行时间非常快，此时等待的线程都加锁可能是一种不太值得的操作，因为线程阻塞涉及到用户态和内核态切换的问题。既然 synchronized 里面的代码执行得非常快，不妨让等待锁的线程不要被阻塞，而是在 synchronized 的边界做“忙循环”，这就是自旋。如果做了多次循环发现还没有获得锁，再阻塞，这样可能是一种更好的策略。

四、忙循环概述

• 就是用循环让一个线程等待，不像传统方法wait()、sleep()或yield()，它们都放弃了CPU控制，而忙循环不会放弃CPU，它就是在运行一个空循环。这么做的目的是为了保留CPU 缓存，在多核系统中，一个等待线程醒来的时候可能会在另一个内核运行，这样会重建缓存。为了避免重建缓存和减少等待重建的时间就可以使用它了。

五、synchronize锁升级原理

1、偏向锁为轻量级锁过程

• 在锁对象的对象头里面有一个threadId，在第一次访问的时候，threadId为空，jvm让其持有偏向锁，并将threadId设置为其线程 id，再次进入的时候会先判断threadId是否与其线程id一致，如果一致则可以直接使用此对象，如果不一致，则升级偏向锁为轻量级锁，

2、轻量级升级为重量级锁过程

• 通过自旋循环一定次数来获取锁，执行一定次数之后，如果还没有正常获取到要使用的对象，此时就会把锁从轻量级升级为重量级锁，此过程就构成了synchronized 锁的升级。

3、锁的升级的目的

• 为了减低了锁带来的性能消耗。在Java 6之后优化 synchronized 的实现方式，使用了偏向锁升级为轻量级锁再升级到重量级锁的方式，从而减低了锁带来的性能消耗。

六、偏向锁概述

• 顾名思义，它会偏向于第一个访问锁的线程，如果在运行过程中，同步锁只有一个线程访问，不存在多线程竞争的情况，则线程是不需要触发同步的，减少加锁/ 解锁的一些CAS操作（比如等待队列的一些 CAS操作），这种情况下，就会给线程加一个偏向锁。如果在运行过程中，遇到了其他线程抢占锁，则持有偏向锁的线程会被挂起，JVM会消除它身上的偏向锁，将锁恢复到标准的轻量级锁。

七、轻量级锁概述

• 是由偏向锁升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下，当第二个线程加入锁竞争的时候，轻量级锁就会升级为重量级锁。

八、重量级锁概述

• 是JVM中最为基础的锁实现。在这种状态下，Java虚拟机会阻塞加锁失败的线程，并且在目标锁被释放的时候，唤醒这些线程。