Synchronize底层实现原理

最新推荐文章于 2024-05-17 18:09:12 发布

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本文详细介绍了Java中synchronized关键字的三种使用方式及其底层实现原理，包括实例方法、静态方法和代码块的同步。通过分析字节码和对象头的MarkWord，揭示了锁的状态变化，涉及无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。此外，还讨论了JDK1.6后的锁优化，如自旋锁和自适应自旋锁。

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相信对Java程序员来说，synchronized关键字对大家来说并不陌生，当我们遇到并发情况时，优先会想到用synchronized关键字去解决，synchronized确实能够帮助我们去解决并发的问题，但是它会引起一些其他问题，比如最突出的一点就是程序效率问题，不过后面随着JDK1.6对synchronized关键字做出了许多优化，让synchronized和java.util.concurrent.locks.ReentrantLock等并发包中的类效率差不多。下面主要来分析一下synchronized底层的实现原理。

1 基本使用

synchronized关键字可以用来修饰三个地方：

1.synchronized放在实例方法上，锁对象是当前的this对象

2.synchronized放在类方法上，也就是我们所说的静态方法上，锁对象是方法区中的类对象，是一个全局锁

3.synchronized修饰代码块，也就是synchronized(object){}，锁对象是()中的对象

synchronized关键字用来修饰的位置不同，其实现原理也是不同的。锁住的对象也是不同的。

在Java中，每个对象里面隐式的存在一个叫monitor(对象监视器)的对象，这个对象源码是采用C++实现的，下面来看一下Monitor对象的源码：

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 ;
  }

当monitor对象被线程持有时，Monitor对象中的count就会进行+1，当线程释放monitor对象时，count又会进行-1操作。用count来表示monitor对象是否被持有.

2 同步原理

针对synchronized修饰的地方不同，实现的原理不同

1.先看synchronized放在实例方法上的代码：

public class Test {

  public synchronized void test() {
  }
}

用javap -verbose查看反编译结果：

从反编译的结果来看，我们可以看到test()方法中多了一个标识符。JVM就是根据该ACC_SYNCHRONIZED标识符来实现方法的同步：

当方法被执行时，JVM调用指令会去检查方法上是否设置了ACC_SYNCHRONIZED标识符，如果设置了ACC_SYNCHRONIZED标识符，则会获取锁对象的monitor对象，线程执行完方法体后，又会释放锁对象的monitor对象。在此期间，其他线程无法获得锁对象的monitor对象

2.第二种情况，synchronized放在类方法上：

public class Test {

    public synchronized static void test(){
    }
}

反编译结果：

我们可以看到跟放在实例方法相同，也是test()方法上会多一个标识符。可以得出synchronized放在实例方法上和放在类方法上的实现原理相同，都是ACC_SYNCHRONIZED标识符去实现的。只是它们锁住的对象不同

3.第三种情况，synchronized修饰代码块：

public class Test {

    public void test(){
        synchronized (this) {
        }
    }
}

反编译结果：

我们可以看到test()字节码指令中会有两个monitorenter和monitorexit指令，

(1)monitorenter: monitorenter指令表示获取锁对象的monitor对象，这是monitor对象中的count并会加+1，如果monitor已经被其他线程所获取，该线程会被阻塞住，直到count=0,再重新尝试获取monitor对象

(2)monitorexit: monitorexit与monitorenter是相对的指令，表示进入和退出。执行monitorexit指令表示该线程释放锁对象的monitor对象,这时monitor对象的count便会-1变成0，其他被阻塞的线程可以重新尝试获取锁对象的monitor对象

从synchronized放置的位置不同可以得出，synchronized用来修饰方法时，是通过ACC_SYNCHRONIZED标识符来保持线程同步的。而用来修饰代码块时，是通过monitorenter和monitorexit指令来完成

3 同步概念

3.1 Java对象头

像我们上面所提到的monitor监视器对象存在于Java对象的对象头Mark Word中，

什么是Java对象头的Mark Word了？这就跟Java对象在JVM中的内存布局有关系，Java对象在JVM内存中分为三块区域：对象头，实例数据和对齐填充。

1. 对象头：对象头又包含以下部分：Mark Word, 类型指针，如果对象是数组的话，还会存在一个数据数组长度，用来记录数据长度。其中Mark Word又包含：哈希码(HashCode),GC分代年龄,锁状态标志,线程持有的锁等信息。
2. 实例数据：这部分是对象真正存储的有效信息，也就是我们在程序中所定义的各种类型的字段内容。
3. 对齐填充：这部分数据并不是必然存在的，JVM内存管理系统要求我们定义的对象大小必须是8字节的整数倍，如果对象大小不是整数倍，这时就会有对齐填充这块数据，来将对象大小补全成为8字节的整数倍

如图所示：

下面结合锁的优化，来讲一下Mark Word中的锁状态发生的变化：

无锁

也就是代表对象的monitor对象并没有被线程所持有，代表的是对象处于无锁状态
偏向锁

偏向锁是JDK1.6后面引起的一项锁优化技术，在无锁竞争的情况下，一个线程通过一次CAS操作来尝试将对象头中的Thread ID字段设置为自己的线程号，如果设置成功，则获得锁，那么以后线程再次进入和退出同步块时，就不需要使用CAS来获取锁，只是简单的测试一个对象头中的Mark Word字段中是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果使用CAS设置失败时，说明存在锁的竞争，这时偏向锁便会升级成轻量级锁和重量级锁。偏向锁指的是这个锁会偏向于第一个获得它的线程。

下面来看一下对象在无锁和偏向锁状态下，Mark Word的锁状态位变化：

我们可以看到这是偏向锁的标志位被至为了1，表示现在处于偏向模式
轻量级锁
表示线程通过一定的数量CAS操作(JDK1.6后默认10次)完成加锁和解锁操作，如果锁获取失败，会通过自旋来获取，竞争的线程不会阻塞，如果还是获取失败，表示此时存在其他线程竞争锁(两条或两条以上的线程竞争同一个锁)，则轻量级锁会膨胀成重量级锁。
重量级锁
当一个锁被两条或两条以上的线程竞争的时候，这时候轻量级锁就会演变成重量级锁。
在轻量级锁和重量级锁的情况下，锁状态标记位：

除了以上几种锁外，其实还有自旋锁，自适应自旋锁
自旋锁
当两个线程去竞争同一把锁时，一个线程获取成功，一个线程获取失败，这时可能会出现获取成功的线程持有锁的时间非常短，如果这时候将获取失败的线程进行挂起的话，会造成功线程上下文的切换，到时候又需要唤醒线程，这时我们可以让获取失败的线程进行一个自旋，无需将线程挂起。等到锁释放。但是这种方案适用于锁被占用的时间很短的情况，如果锁被持有的时间很长，然后线程将会一直处于自旋状态，白白消耗处理器资源。自旋等待的时间必须要有一定的限度，如果超过此数还是没有获取到，则将线程挂起。自旋此数的默认值是10次，可以使用JVM参数-XX:PreBlockSpin来进行更改。
自适应自旋锁