synchronized 的实现与原理

作者: 白羽驰 | 来源:发表于2018-07-14 16:57 被阅读16次

    synchronized 给人的印象一直是并发编程中的元老级角色但是其比较重,并称之为重量级锁,但是事实真的是这样吗?其实随着 Java SE 1.6 对 synchronized 进行了各种优化,随着 JDK 的升级对 synchronized 的优化是持续进行的,因此对于 synchronized 的使用及理解就变得非常重要了,本文就对 synchronized 的原理进行一些介绍。

    先来看一下利用 synchronized 实现同步的基础。Java 中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为 3 种形式。

    • 对于普通同步方法,锁是当前实例对象。
    • 对于静态同步方法,锁是当前类的 Class 对象。
    • 对于同步方法块,锁是 synchronized 括号里配置的对象。

    当一个线程试图访问同步代码块时,它首先必须得到锁,退出或抛出异常时必须释放锁。那么锁到底存在哪里呢?锁里面会存储什么信息呢?

    JVM 规范中可以看到 synchronizedJVM 里的实现原理, JVM 基于进入和退出 Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步。方法同步和代码块同步是使用 monitorentermonitorexit 指令实现的。 monitorenter 指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置,而 monitorexit 是插入到代码块结束处和异常处, JVM 要保证每个 monitorenter 必须有对应的 monitorexit 与之配对。任何对象都有一个 monitor 与之关联,并且一个 monitor 被持有后,它将处于锁定状态。线程执行到 monitorenter 指令时,将会尝试获取对象对应的 monitor 的所有权,即尝试获得对象的锁。 例如对于如下简单的代码,编译出成字节码之后再通过 javap -c 命令进行反汇编便可以看到 monitorentermonitorexit 指令。

    public class SynchronizedTest {
        public static void main(String[] args) {
            synchronized (SynchronizedTest.class) {
                System.out.println("synchronized...");
            }
        }
    }
    
    Compiled from "SynchronizedTest.java"
    public class com.weiqiang.SynchronizedTest {
      public com.weiqiang.SynchronizedTest();
        Code:
           0: aload_0
           1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
           4: return
    
      public static void main(java.lang.String[]);
        Code:
           0: ldc           #2                  // class com/weiqiang/SynchronizedTest
           2: dup
           3: astore_1
           4: monitorenter
           5: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
           8: ldc           #4                  // String synchronized...
          10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
          13: aload_1
          14: monitorexit
          15: goto          23
          18: astore_2
          19: aload_1
          20: monitorexit
          21: aload_2
          22: athrow
          23: return
        Exception table:
           from    to  target type
               5    15    18   any
              18    21    18   any
    }
    

    Java 对象头

    synchronized 用的锁是存在 Java 对象头里的。如果对象是数组类型,则虚拟机用 3 个字宽存储对象头,如果对象是非数组类型,则用 2 个字宽存储对象头。

    长度 内容 说明
    32/64 bit Mark Word 存储对象的 hashCode 或锁信息等
    32/64 bit Class Metadata Address 存储到对象类型数据的指针
    32/6 4bit Array length 数组的长度

    Java 对象头里的 Mark Word 里默认存储对象的 HashCode、分代年龄和锁标记位。 32 位 JVM 的 Mark Word 的默认存储结构如下所示:

    锁状态 25 bit 4 bit 1 bit 是否是偏向锁 2 bit 锁标志位
    无锁状态 对象的 hashCode 对象分代年龄 0 01

    锁的升级与对比

    Java SE 1.6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗,引入了 偏向锁轻量级锁 ,在 Java SE 1.6 中,锁一共有 4 种状态,级别从低到高依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态,这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁之后便不能再降级成偏向锁。

    偏向锁

    JVM 的作者经过研究发现,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,为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步代码时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程 ID,以后该线程在进入和退出同步代码时不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁,只需简单的测试一下对象头的 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功,表示线程已经获得了锁,如果测试失败,则需要再测试一下 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置成 1 (表示当前是偏向锁),如果没有设置,则使用 CAS 竞争锁;如果设置了,则尝试使用 CAS 将对象头的偏向锁指向当前线程。

    • 偏向锁的撤销
      偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制,所以当其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码)。它会暂停拥有锁的线程,然后检查持有偏向锁的线程是否活着,如果线程不处于活动状态,则将对象头设置成无锁状态;如果线程任然活着,拥有偏向锁的栈会被执行,遍历偏向对象的锁记录,栈中的锁记录和对象头的 Mark Word 要么重新偏向与其他线程,要么恢复到无锁活着标记对象不适合作为偏向锁,最后唤醒暂停的线程。
    轻量级锁
    • 轻量级锁加锁
      线程在执行同步代码块之前, JVM 会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中,然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 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,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
    • 轻量级锁解锁
      轻量级锁解锁时,会使用原子的 CAS 操作将锁记录中的 Mardk Word 替换会到对象头,如果成功,则表示没有竞争发生。如果失败,表示当前锁存在竞争,锁就会膨胀成重量级锁。
      因为自旋会消耗 CPU ,为了避免无用的自旋,一旦锁升级成重量级锁,就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下,其他线程试图获取锁时都会被阻塞住,当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程,被唤醒的线程会进行新一轮的夺锁之争。
    锁的优缺点对比
    优点 缺点 适用场景
    偏向锁 加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法相比仅存在纳秒级别的差距 如果线程间存在锁竞争,会带来额外的锁撤销的消耗 适用于只有一个线程访问同步块的场景
    轻量级锁 竞争的线程不会阻塞,提高了程序的响应速度 如果始终得不到锁竞争的线程,使用自旋会消耗 CPU 追求响应时间,同步块执行速度非常快
    重量级锁 线程竞争不使用自旋,不会消耗 CPU 线程阻塞,响应时间缓慢 追求吞吐量,同步块执行速度较长

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