聊一聊synchronize关键字

最新推荐文章于 2024-12-01 23:53:54 发布

汐梦聆海

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分类专栏：多线程文章标签： java 开发语言后端

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Java并发编程中，锁是一个绕不开的话题。锁都是基于对象的，Java中每一个对象都可以作为一个锁。值得注意的是，我们所说的类锁也是基于对象的，因为一个类唯一对应着一个Class对象。

Synchronize关键字

锁通常与 synchronize 关键字联系到一起，synchronize有三种使用方法：分别是（1）作用在实例方法上，锁为当前实例；（2）作用在静态方法上，锁为当前Class对象；（3）作用在代码块上，锁为括号里的对象。

// 关键字在实例方法上，锁为当前实例
public synchronized void instanceLock() {
    // code
}

// 关键字在静态方法上，锁为当前Class对象
public static synchronized void classLock() {
    // code
}

// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象
public void blockLock() {
    Object o = new Object();
    synchronized (o) {
        // code
    }
}

在上面的例子中，如果synchronize关键字作用在方法上，那么临界区就是整个方法内部；如果作用在代码块，那么临界区指的就是代码块内部的区域。

通过上面的例子可以看出，下面的写法是等价的：

// 关键字在实例方法上，锁为当前实例
public synchronized void instanceLock() {
    // code
}

// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象
public void blockLock() {
    synchronized (this) {
        // code
    }
}

同理，下面的写法也是等价的：

// 关键字在静态方法上，锁为当前Class对象
public static synchronized void classLock() {
    // code
}

// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象
public void blockLock() {
    synchronized (this.getClass()) {
        // code
    }
}

四种锁

Java6以后为了减少获得锁和释放锁所带来的性能开销，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。而在Java6以前，所有的锁都是重量级锁。因此现在共有四种锁的状态，从低到高依次是：

无锁状态
偏向锁状态
轻量级锁状态
重量级锁状态

无锁就是并不会对资源进行任何的锁定，任何线程都可以随意改变他，因此在这里不做细讲。

几种锁会随着竞争的情况的升级，锁的升级也很容易发生。下面分别介绍几种锁和他们的升级。

Java对象头

前文中提到，Java的锁都是基于对象的，一个对象中锁的信息存在于对象头中。每个对象都有对象头。如果是非数组类型，则有两个字宽来存储对象头；如果是数组类型，则有三个字宽来存储对象头。字宽是由处理器的位数决定的，如下所示：
在这里插入图片描述
其中Mark Word部分存储着锁信息，下面探秘一下Mark Word格式：

可以发现，当对象状态为偏向锁时，Mark Word中存储的是偏向线程的ID；当状态为轻量级锁时，Mark Word存储的是指向线程栈中 Lock Record 的指针；当状态为重量级锁时，Mark Word为指向堆中monitor对象的指针。

（1）偏向锁

Hotspot的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，于是引入了偏向锁。

偏向锁会偏向于第一个访问锁的线程，如果在接下来的运行过程中，该锁没有被其他的线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要触发同步。也就是说，偏向锁在资源无竞争情况下消除了同步语句，连CAS操作都不做了，提高了程序的运行性能。

实现原理如下：

一个线程第一次进入到同步块时，会在对象头和栈帧的锁记录中存储锁偏向的线程ID。当下一次该线程进入到这个同步块时，会检查锁的Mark Word里面是否放置的是自己的线程ID。
如果是，则该线程已经获得了锁，以后该线程进入和退出同步代码块时不需要额外花费CAS操作来进行加锁和解锁；如果不是，就代表有另一个线程来竞争这个偏向锁。这时就尝试通过CAS操作替换Mark Word里面的线程ID为新的线程ID，需要分为如下两种情况：
（1）如果成功，则表明之前占有锁的线程已经不存在了，Mark Word里面的线程为新线程ID，锁不会升级；（2）如果失败，表明原来的线程还在，此时设置偏向锁标识为0，并设置锁标志位为00，升级为轻量级锁，会按照轻量级锁的方式进行锁的竞争。

线程竞争偏向锁的过程如下图所示；
在这里插入图片描述
偏向锁的撤销：

偏向锁使用了一种等到竞争才释放锁的机制，所以等到其他线程竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放偏向锁。

当偏向锁升级为轻量级锁，会暂停拥有偏向锁的线程，重置偏向锁的标识，这个过程开销是比较大的，具体来说分为下面三个步骤：

在一个安全点（在这个时间没有字节码正在执行）停止拥有锁的线程；
遍历线程栈，如果存在锁记录的话，需要修复锁记录和Mark Word，使其成为无锁状态；
唤醒被停止的线程，将当前锁升级为轻量级锁。

下图中总结了偏向锁的获得与撤销：
在这里插入图片描述

（2）轻量级锁

多个线程在不同时间段获取同一把锁，即不存在锁竞争的情况，也就没有线程的阻塞。针对这种情况，JVM采用轻量级锁来避免线程的阻塞与唤醒。

轻量级锁加锁：

JVM会为每个线程在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，我们称为Displaced Mark Word。如果一个线程获得锁的时候发现是轻量级锁，会把锁的Mark Word复制到自己的Displaced Mark Word里面。

然后线程尝试用CAS将锁的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示Mark Word已经被替换成了其他线程的锁记录，说明在与其它线程竞争锁，当前线程就尝试使用自旋来获取锁。

自旋是需要消耗CPU的，如果一直获取不到锁的话，那该线程就一直处在自旋状态，白白浪费CPU资源。解决这个问题最简单的办法就是指定自旋的次数，例如让其循环10次，如果还没获取到锁就进入阻塞状态。

但是JDK采用了更机智的方式——适应性自旋，就是线程如果自旋成功了，则下次自旋的次数会更多；如果自旋失败了，则自旋的次数就会减少。

自旋也不是一直进行下去的，如果自旋到一定程度（和JVM、操作系统相关），依然没有获取到锁，称为自旋失败，那么这个线程会阻塞。同时这个锁就会升级成重量级锁。

轻量级锁释放：

在释放锁时，当前线程会使用CAS操作将Displaced Mark Word的内容复制回锁的Mark Word里面。如果没有发生竞争，那么这个复制的操作会成功。如果有其他线程因为自旋多次导致轻量级锁升级成了重量级锁，那么CAS操作会失败，此时会释放锁并唤醒被阻塞的线程。

一张图说明加锁和释放锁的过程：
在这里插入图片描述

（3）重量级锁

重量级锁依赖于操作系统的互斥量（mutex）实现的，而操作系统中线程间状态的转换需要相对比较长的时间，所以重量级锁效率很低，但被阻塞的线程不会消耗CPU。

前面说到，每一个对象都可以当做一个锁，当多个线程同时请求某个对象锁时，对象锁会设置几种状态用来区分请求的线程：

在这里插入图片描述
当一个线程尝试获得锁时，如果该锁已经被占用，则会将该线程封装成一个ObjectWaiter对象插入到Contention List的队列的队首，然后调用park函数挂起当前线程。

当线程释放锁时，会从Contention List或EntryList中挑选一个线程唤醒，被选中的线程叫做Heir presumptive即假定继承人，假定继承人被唤醒后会尝试获得锁，但synchronized是非公平的，所以假定继承人不一定能获得锁。这是因为对于重量级锁，线程先自旋尝试获得锁，这样做的目的是为了减少执行操作系统同步操作带来的开销。如果自旋不成功再进入等待队列。这对那些已经在等待队列中的线程来说，稍微显得不公平，还有一个不公平的地方是自旋线程可能会抢占了Ready线程的锁。

如果线程获得锁后调用Object.wait方法，则会将线程加入到WaitSet中，当被Object.notify唤醒后，会将线程从WaitSet移动到Contention List或EntryList中去。需要注意的是，当调用一个锁对象的wait或notify方法时，如当前锁的状态是偏向锁或轻量级锁则会先膨胀成重量级锁。

总结锁的升级流程

每一个线程在获取共享资源时，首先检查MarkWord中存放的是不是自己线程的ID，如果是，则表示当前线程是处于“偏向锁”；
如果Mark Word中不是自己的ID，进行锁升级。此时使用CAS来执行切换，新的线程会根据MarkWord的里现有的线程ID，通知之前的线程暂停，之前线程将MarkWord的内容置为空；
两个线程都把锁对象的Hashcode复制到自己新建的用于存储锁的记录空间，接着开始通过CAS操作，把锁对象的MarkWord字段修改为自己新建的记录空间地址的方式来竞争MarkWord；
第三步中成功执行CAS的获得资源，失败的则进行自旋；
自旋的线程在自旋过程中，成功获得资源（即之前获得资源的线程执行完成并且释放了共享资源），则整个状态依然处于轻量级锁状态；如果失败则进入重量级锁的状态，此时自旋的线程进行阻塞，等待之前线程执行完毕并唤醒自己。