多线程之synchronized实现原理

Posted 2020-12-26 changzuidaerguai

synchronized实现原理
synchronized可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入到临界区，同时它还可以保证共享变量的内存可见性
Java中每一个对象都可以作为锁：
1、静态同步方法，锁是当前类的class文件
2、普通同步方法，锁是当前对象，this
3、同步代码块，锁是括号内的对象
当一个线程访问同步代码块的时候，必须先获得锁，退出或抛出异常的时候要释放锁。
同步代码块中synchronized的实现：

同步代码块是使用monitorenter和monitorexit指令实现的.
monitorenter指令：插入同步代码块的开始位置，监视器进入，获取锁；
monitorexit指令：插入同步代码块结束位置，监视器退出，释放锁

任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有以后，将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor所有权，即尝试获取对象的锁。
同步方法：synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回执行：invokevirtual、areturn指令，在虚拟机字节码层面没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法，而在class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Kclass作为锁对象。
Java对象头
synchronized用的锁存在Java对象头中。Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Kclass Pointer（类型指针）。
Kclass Point是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针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，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
Mark Word
Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、gc分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID等。Java对象头一般占两个机器码、如果对象是数组类型，则需要三个机器码，因为JVM虚拟机需要通过Java对象的元数据确定Java对象的大小，但是无法从数组中的元数据确认数组的大小，所以需要额外一块记录数组的长度。

Java对象头的存储结构：（32位虚拟机）
25Bit 哈希码
4bit 对象的分代年龄
1bit 是否偏向锁
2bit 锁标志位

对象头信息是与对象自身定义的数据五官的额外存储成本，但是考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据，它会根据对象的状态复用再寄的存储空间，也就是说，Mark Word会随着程序的运行发生改变。
Monitor
Monitor可以理解为一个同步工具，也可以额描述为一种同步机制，通常被描述为一个对象。
所有对象是天生的Monitor，每一个对象都有成为Monitor的潜质，在Java设计中，每一个对象创建就有一把看不见的锁，它叫做内部锁或Monitor锁。
Monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用的minitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个minitor关联（对象头的MarkWord中的LockWprd指向monitor的起始地址），同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。

Owner：初始为NULL表示当前没有线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，锁释放设置为null
EntryQ ：关联一个系统互斥锁，阻塞所有试图锁住mointor record失败的线程
RcThis ：表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数
Nest ：用来实现重入锁的计数
HashCode ：保存对象头拷贝过来的哈希值
Candidate：用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争失败又被阻塞）从而导致性能下降。值为0表示没有需要唤醒的线程，1表示要唤醒一个线程竞争锁。

锁的四种状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，会随着竞争的激烈逐渐升级。
锁可以升级，不能被降级。
自旋锁
线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态，频繁的阻塞和唤醒对CPU是一件负担很重的工作，势必给系统并发带来很大的压力，同时在许多应用上面，对象锁的锁状态只会持续很短的一段时间，为了这段很少的时间频繁阻塞和唤醒锁是非常不值得的，所以引入自旋锁。
自旋锁就是让该线程等待一段时间，不会被立即挂起，看持有锁的线程是否会很快释放锁。这里通过一段无意义的循环进行等待（自旋）
自旋等待不能代替阻塞，虽然可以避免线程切换带来的开销，但是占用了处理器的时间。如果持有锁的线程很快释放了锁，那么自旋的效率就非常好，反之，自旋的线程就会白白消耗掉处理的资源。
可以使用-XX:+UseSpinning开启，在JDK1.6中默认开启，默认次数为10，可以通过参数-XX:PreBlockSpin来调整。
适应自旋锁
适应自旋锁就是自旋的次数不是固定的，由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。
线程如果自旋成功了，那么下次自旋的次数就会更加多，因为虚拟机认为上次成功了，此次自旋也很有可能会再次成功，就会允许自旋等待持续的次数更多。反之减少。
锁消除
为了保证数据的完整性，我们在进行操作时需要对这部分操作进行同步控制，但是有些情况下，JVM检测到不可能存在共享数据竞争，这时JVM就会对这些同步锁进行消除。
锁消除的依据是逃匿分析的数据支持。
变量是否逃逸，对虚拟机来说需要使用数据流分析确定。
但是开发者不清楚，有些时间使用StringBuffer、Vector等的时候会存在隐形的加锁操作，在这里虚拟机会明显检测到可以进行锁消除。
锁粗化
在使用同步锁的时候，需要让同步块的作用范围尽可能小，仅在共享数据的实际作用域中进行同步。这样做的目的是为了使需要同步的操作数量尽可能缩小。如果存在锁竞争，那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。但是一系列的加锁解锁操作，可能会导致不必要的性能损耗，所以引入锁粗化的概念。
锁粗化就是将多个连续的加锁、解锁连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。
轻量级锁
引入轻量级锁的目的主要是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。当关闭偏向锁功能或多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁，则会尝试获取轻量级锁。
获取锁：

1、判断当前对象是否处于无锁状态（hashcode、0、01），若是，则JVM首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀，即Displaced Mark Word）；否则执行步骤（3）；
2、JVM利用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指正，如果成功表示竞争到锁，则将锁标志位变成00（表示此对象处于轻量级锁状态），执行同步操作；如果失败则执行步骤（3）；
3、判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是则表示当前线程已经持有当前对象的锁，则直接执行同步代码块；否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了，这时轻量级锁需要膨胀为重量级锁，锁标志位变成10，后面等待的线程将会进入阻塞状态；

释放锁

1、取出在获取轻量级锁保存在Displaced Mark Word中的数据；
2、用CAS操作将取出的数据替换当前对象的Mark Word中，如果成功，则说明释放锁成功，否则执行（3）；
3、如果CAS操作替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁，则需要在释放锁的同时需要唤醒被挂起的线程。

轻量级锁性能提升的依据是对于绝大部分的锁，在整个生命周日内都是不会存在竞争的，如果打破这个依据则除了互斥的开销外，还有额外的CAS操作，因此有多线程竞争的情况下，轻量级锁比重量级锁更慢。
偏向锁
为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径（减少不必要的CAS操作）
获取锁

1、检测Mark Word是否为可偏向状态，即是否为偏向锁1，锁标识位为01
2、若为可偏向状态，则测试线程ID是否为当前线程ID，如果是，则执行步骤（5），否则执行步骤（3）；
3、如果线程ID不为当前线程ID，则通过CAS操作竞争锁，竞争成功，则将Mark Word的线程ID替换为当前线程ID，否则执行线程（4）；
4、通过CAS竞争锁失败，证明当前存在多线程竞争情况，当到达全局安全点，获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块；
5、执行同步代码块

释放锁

偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。偏向锁的撤销需要等待全局安全点（这个时间点是上没有正在执行的代码）。其步骤如下：
1、暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象石是否还处于被锁定状态；
2、撤销偏向苏，恢复到无锁状态（01）或者轻量级锁的状态；

重量级锁
重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高

http://www.importnew.com/23511.html
https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483