前言
synchronized,是解决并发情况下数据同步访问问题的一把利刃。那么synchronized的底层原理是什么呢?下面我们来一层一层剥开它的心,就像剥洋葱一样,看个究竟。
Synchronized的使用场景
synchronized关键字可以作用于方法或者代码块,最主要有以下几种使用方式,如图:
接下来,我们先剥开synchronized的第一层,反编译其作用的代码块以及方法。
synchronized作用于代码块
public class SynchronizedTest {
public void doSth(){
synchronized (SynchronizedTest.class){
System.out.println("test Synchronized" );
}
}
}
反编译,可得:
由图可得,添加了synchronized关键字的代码块,多了两个指令monitorenter、monitorexit。即JVM使用monitorenter和monitorexit两个指令实现同步,monitorenter、monitorexit又是怎样保证同步的呢?我们等下剥第二层继续探索。
synchronized作用于方法
public synchronized void doSth(){
System.out.println("test Synchronized method" );
}
反编译,可得:
由图可得,添加了synchronized关键字的方法,多了ACC_SYNCHRONIZED标记。即JVM通过在方法访问标识符(flags)中加入ACC_SYNCHRONIZED来实现同步功能。
monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED
剥完第一层,反编译synchronized的方法以及代码块,我们已经知道synchronized是通过monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED实现同步的,它们三作用都是啥呢?我们接着剥第二层:
monitorenter
谷歌翻译一下,如下:
可以看一下以下的图,便于理解用:
monitorexit
谷歌翻译一下,如下:
可以看一下以下的图,便于理解用:
ACC_SYNCHRONIZED
谷歌翻译一下,如下:
可以看一下这个流程图:
Synchronized第二层的总结
- 同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现,当线程执行到monitorenter的时候要先获得monitor锁,才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁。
- 同步方法是通过中设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现,当线程执行有ACC_SYNCHRONI标志的方法,需要获得monitor锁。
- 每个对象维护一个加锁计数器,为0表示可以被其他线程获得锁,不为0时,只有当前锁的线程才能再次获得锁。
- 同步方法和同步代码块底层都是通过monitor来实现同步的。
- 每个对象都与一个monitor相关联,线程可以占有或者释放monitor。
好的,剥到这里,我们还有一些不清楚的地方,monitor是什么呢,为什么它可以实现同步呢?对象又是怎样跟monitor关联的呢?客观别急,我们继续剥下一层,请往下看。
monitor监视器
montor到底是什么呢?我们接下来剥开Synchronized的第三层,monitor是什么? 它可以理解为一种同步工具,或者说是同步机制,它通常被描述成一个对象。操作系统的管程是概念原理,ObjectMonitor是它的原理实现。
操作系统的管程
- 管程 (英语:Monitors,也称为监视器) 是一种程序结构,结构内的多个子程序(对象或模块)形成的多个工作线程互斥访问共享资源。
- 这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。管程实现了在一个时间点,最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。
- 与那些通过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比,管程实现很大程度上简化了程序设计。
- 管程提供了一种机制,线程可以临时放弃互斥访问,等待某些条件得到满足后,重新获得执行权恢复它的互斥访问。
ObjectMonitor
ObjectMonitor数据结构
在Java虚拟机(HotSpot)中,Monitor(管程)是由ObjectMonitor实现的,其主要数据结构如下:
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; // 记录个数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
_WaitSet = NULL; // 处于wait状态的线程,会被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; // 处于等待锁block状态的线程,会被加入到该列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
ObjectMonitor关键字
ObjectMonitor中几个关键字段的含义如图所示:
工作机理
Java Monitor 的工作机理如图所示:
- 想要获取monitor的线程,首先会进入_EntryList队列。
- 当某个线程获取到对象的monitor后,进入_Owner区域,设置为当前线程,同时计数器_count加1。
- 如果线程调用了wait()方法,则会进入_WaitSet队列。它会释放monitor锁,即将_owner赋值为null,_count自减1,进入_WaitSet队列阻塞等待。
- 如果其他线程调用 notify() / notifyAll() ,会唤醒_WaitSet中的某个线程,该线程再次尝试获取monitor锁,成功即进入_Owner区域。
- 同步方法执行完毕了,线程退出临界区,会将monitor的owner设为null,并释放监视锁。
为了形象生动一点,举个例子:
synchronized(this){ //进入_EntryList队列
doSth();
this.wait(); //进入_WaitSet队列
}
OK,我们又剥开一层,知道了monitor是什么了,那么对象又是怎样跟monitor关联呢?各位帅哥美女们,我们接着往下看,去剥下一层。
对象与monitor关联
对象是如何跟monitor关联的呢?直接先看图:
看完上图,其实对象跟monitor怎样关联,我们已经有个大概认识了,接下来我们分对象内存布局,对象头,MarkWord一层层继续往下探讨。
对象的内存布局
在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:对象头(Header),实例数据(Instance Data)和对象填充(Padding)。
- 实例数据:对象真正存储的有效信息,存放类的属性数据信息,包括父类的属性信息;
- 对齐填充:由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的,仅仅是为了字节对齐。
- 对象头:Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据:Mark Word(标记字段)、Class Pointer(类型指针)。
对象头
对象头主要包括两部分数据:Mark Word(标记字段)、Class Pointer(类型指针)。
- Class Pointer:是对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来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(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等。
在32位的HotSpot虚拟机中,如果对象处于未被锁定的状态下,那么Mark Word的32bit空间里的25位用于存储对象哈希码,4bit用于存储对象分代年龄,2bit用于存储锁标志位,1bit固定为0,表示非偏向锁。其他状态如下图所示:
- 前面分析可知,monitor特点是互斥进行,你再喵一下上图,重量级锁,指向互斥量的指针。
- 其实synchronized是重量级锁,也就是说Synchronized的对象锁,Mark Word锁标识位为10,其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。
- 顿时,是不是感觉柳暗花明又一村啦!对象与monitor怎么关联的?答案:Mark Word重量级锁,指针指向monitor地址。
Synchronized剥开第四层小总结
对象与monitor怎么关联?
- 对象里有对象头
- 对象头里面有Mark Word
- Mark Word指针指向了monitor
锁优化
事实上,只有在JDK1.6之前,synchronized的实现才会直接调用ObjectMonitor的enter和exit,这种锁被称之为重量级锁。一个重量级锁,为啥还要经常使用它呢? 从JDK6开始,HotSpot虚拟机开发团队对Java中的锁进行优化,如增加了适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等优化策略。
自旋锁
何为自旋锁?
自旋锁是指当一个线程尝试获取某个锁时,如果该锁已被其他线程占用,就一直循环检测锁是否被释放,而不是进入线程挂起或睡眠状态。
为何需要自旋锁?
线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态,频繁的阻塞和唤醒显然对CPU来说苦不吭言。其实很多时候,锁状态只持续很短一段时间,为了这段短暂的光阴,频繁去阻塞和唤醒线程肯定不值得。因此自旋锁应运而生。
自旋锁应用场景
自旋锁适用于锁保护的临界区很小的情况,临界区很小的话,锁占用的时间就很短。
自旋锁一些思考
在这里,我想谈谈,为什么ConcurrentHashMap放弃分段锁,而使用CAS自旋方式,其实也是这个道理。
锁消除
何为锁消除?
锁削除是指虚拟机即时编译器在运行时,对一些代码上要求同步,但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行削除。
锁消除一些思考
在这里,我想引申到日常代码开发中,有一些开发者,在没并发情况下,也使用加锁。如没并发可能,直接上来就ConcurrentHashMap。
锁粗化
何为锁租化?
锁粗话概念比较好理解,就是将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起,扩展成一个范围更大的锁。
为何需要锁租化?
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才进行同步,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。但是如果一系列的连续加锁解锁操作,可能会导致不必要的性能损耗,所以引入锁粗话的概念。
锁租化比喻思考
举个例子,买门票进动物园。老师带一群小朋友去参观,验票员如果知道他们是个集体,就可以把他们看成一个整体(锁租化),一次性验票过,而不需要一个个找他们验票。
总结
我们直接以一张Synchronized洋葱图作为总结吧,如果你愿意一层一层剥开我的心。
参考与感谢
- Synchronized之管程 https://www.jianshu.com/p/32e1361817f0
- 深入理解多线程(一)——Synchronized的实现原理 https://www.hollischuang.com/archives/1883
- 深入理解多线程(五)—— Java虚拟机的锁优化技术 https://www.hollischuang.com/archives/2344
- 《深入理解Java虚拟机》
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