掘金 后端 ( ) • 2024-04-03 16:19
JUC体系化学习-2.synchronized
synchronized

锁升级过程

主要有偏向锁、轻量级锁、重量级锁

偏向锁是指在没有竞争的情况下，锁会偏向于第一个获取锁的线程（会在对象头中存储当前线程的ID是被偏向的线程），避免了每次获取锁都需要进行CAS操作的开销

轻量级锁是指在竞争不激烈的情况下，锁会使用CAS操作（相当于自旋）来进行快速的加锁和解锁，避免了重量级锁的开销；

重量级锁是指在竞争激烈的情况下，锁会使用操作系统提供的互斥量来进行加锁和解锁，保证了线程安全性，但开销较大。

Java对象头

我们先来看一下对象头的组成（以32位虚拟机为例）：

普通对象：

 |----------------------------------------------------------------------|
 |                       Object Header(64 bits)                         |
 |--------------------------------|-------------------------------------| 
 |      Mark Word(32 bits)        |              Klass Word(32 bits)    |
 |--------------------------------|-------------------------------------| NOOK

数组类型：

 |------------------------------------------------------------------------------------------|
 |                       Object Header(96 bits)                                             |
 |--------------------------------|----------------------------|----------------------------| 
 |      Mark Word(32 bits)        |     Klass Word(32 bits)    |   array length(32 bits)    |
 |--------------------------------|----------------------------|----------------------------| NOOK

其中32位虚拟机Mark Word结构为

 |-------------------------------------------------------|--------------------|
 |                 Mark Word (32 bits)                   |       State        |
 |-------------------------------------------------------|--------------------|
 | hashcode:25         | age:4 | biased_lock:0 | 01      |       Normal       |
 |-------------------------------------------------------|--------------------|
 | thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | 01      |       Biased       |
 |-------------------------------------------------------|--------------------|
 |             ptr_to_lock_record:30           | 00      | Lightweight Locked |
 |-------------------------------------------------------|--------------------|
 |             ptr_to_heavyweight_monitor:30   | 10      | Heavyweight Locked |
 |-------------------------------------------------------|--------------------|
 |                                             | 11      |    Marked for GC   |
 |-------------------------------------------------------|--------------------|NOOK

64位虚拟机Mark Word结构为

 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 |                        Mark Word (64 bits)                         |       State        |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 | unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01    |       Normal       |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 | thread:54 | epoch:2     | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01    |       Biased       |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 |           ptr_to_lock_record:62                            | 00    | Lightweight Locked |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 |           ptr_to_heavyweight_monitor:62                    | 10    | Heavyweight Locked |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 |                                                            | 11    |    Marked for GC   |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|NOOK

Object的对象头，分为两部分:

第一部分是Mark Word，用来存储对象的运行时数据比如：hashcode，GC分代年龄，锁状态，持有锁信息，偏向锁的thread ID等等。

在64位的虚拟机中，Mark Word是64bits，如果是在32位的虚拟机中Mark Word是32bits

第二部分就是Klass Word，Klass Word是一个类型指针，指向class的元数据，JVM通过Klass Word来判断该对象是哪个class的实例。

我们可以看到对象头中的Mark Word根据状态的不同，存储的是不同的内容。

其中锁标记的值分别是：无锁=001，偏向锁=101，轻量级锁=000，重量级锁=010

Monitor(锁)

Monitor被翻译为监视器或管程，其实就是我们在使用synchronized时一直提的锁

每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用synchronized给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word中就被设置指向Monitor对象的指针

Monitor结构如下：

image-20220504153413835

Monitor属性含义：

  • WaitSet：线程调用带时间Wait方法，存放被堵塞的线程
  • EntryList：阻塞队列，用来存放没有争抢到锁的线程
  • Owner：用来标记是哪个线程持有当前Monitor

Monitor调用步骤：

  • 刚开始Monitor中Owner为null，即不被任何对象获取
  • 当Thread-2执行synchronized(obj)就会将Monitor的所有者Owner置为Thread-2，Monitor中只能有一个Owner
  • 在Thread-2上锁的过程中，如果Thread-3、Thread-4、Thread-5也来执行Synchronized(obj)，就会进入EntryList并 BLOCKED
  • Thread-2执行完同步代码块的内容，然后唤醒EntryList中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的
  • 图中WaitSet中的Thread-0、Thread-1是之前获得过锁，但条件不满足WAITING状态的线程，该条件在后面会详解

注意：

  • synchronized必须是进入同一个对象的monitor才有上述的效果
  • 不加synchronized的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

我们知道synchronized在调用的时候，不管是锁方法还是锁代码块，其实本质上都是锁住了一个对象，当这个对象上锁时，就会关联一个Monitor对象，Monitor是操作系统给我们提供的，我们在Java层面是看不到这个对象

此时我们加锁对象对象头中的Mark Word就指向这个Monitor对象

image-20220504213359130

此时对象头中Mark Word就会进行更改，锁标记位会由无锁(01) -----> 重量级锁(10)，而前面的比特位都会丢弃，变为62位的ptr_to_heavyweight_monitor指针，用来指向Monitor对象的地址

 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 |                        Mark Word (64 bits)                         |       State        |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 | unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01    |       Normal       |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 | thread:54 | epoch:2     | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01    |       Biased       |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 |           ptr_to_lock_record:62                            | 00    | Lightweight Locked |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 |           ptr_to_heavyweight_monitor:62                    | 10    | Heavyweight Locked |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|
 |                                                            | 11    |    Marked for GC   |
 |--------------------------------------------------------------------|--------------------|NOOK

从字节码层面分析Monitor

我们先来看一段使用synchronized加锁的代码：

 public class Monitor {
     static final Object lock = new Object();
     static int counter = 0;
 ​
     public static void main(String[] args) {
         synchronized (lock) {
             counter++;
         }
     }
 }NOOK

对应字节码指令：

 public class com/fx/Synchronized/Monitor {
 ​
   // compiled from: Monitor.java
 ​
   // access flags 0x18
   final static Ljava/lang/Object; lock
 ​
   // access flags 0x8
   static I counter
 ​
   // access flags 0x1
   public <init>()V
    L0
     LINENUMBER 8 L0
     ALOAD 0
     INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
     RETURN
    L1
     LOCALVARIABLE this Lcom/fx/Synchronized/Monitor; L0 L1 0
     MAXSTACK = 1
     MAXLOCALS = 1
 ​
   // access flags 0x9
   public static main([Ljava/lang/String;)V
     TRYCATCHBLOCK L0 L1 L2 null
     TRYCATCHBLOCK L2 L3 L2 null
    L4
     LINENUMBER 13 L4
     GETSTATIC com/fx/Synchronized/Monitor.lock : Ljava/lang/Object;  //拿到锁，lock应用
     DUP                   //复制了一份
     ASTORE 1              //存储到临时变量 -> slot1中（为了解锁时使用）
     MONITORENTER          //进入同步块（临界区），将lock对象MarkWord置为Monitor指针
    L0
     LINENUMBER 14 L0
     GETSTATIC com/fx/Synchronized/Monitor.counter : I    // <- i
     ICONST_1                                             //  准备常量1
     IADD                                                 //  +1
     PUTSTATIC com/fx/Synchronized/Monitor.counter : I    // -> i
    L5
     LINENUMBER 15 L5
     ALOAD 1               //拿到复制的lock引用
     MONITOREXIT           //离开同步块，将lock对象MarkWord重置（恢复hashcode、age等），唤醒EntryList
    L1
     GOTO L6               //goto L6代码段，即来到第54行
    L2                     //异常处理开始
    FRAME FULL [[Ljava/lang/String; java/lang/Object] [java/lang/Throwable]
     ASTORE 2              // e -> slot 2
     ALOAD 1               // <- lock引用
     MONITOREXIT           // 将lock对象MarkWord重置，唤醒EntryList
    L3
     ALOAD 2               // <- slot 2 (e)
     ATHROW                // 将处理不了的异常抛出
    L6
     LINENUMBER 16 L6
    FRAME CHOP 1
     RETURN
    L7
     LOCALVARIABLE args [Ljava/lang/String; L4 L7 0
     MAXSTACK = 2
     MAXLOCALS = 3
 ​
   // access flags 0x8
   static <clinit>()V
    L0
     LINENUMBER 9 L0
     NEW java/lang/Object
     DUP
     INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
     PUTSTATIC com/fx/Synchronized/Monitor.lock : Ljava/lang/Object;
    L1
     LINENUMBER 10 L1
     ICONST_0
     PUTSTATIC com/fx/Synchronized/Monitor.counter : I
     RETURN
     MAXSTACK = 2
     MAXLOCALS = 0
 }NOOK

synchronized——轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是synchronized

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

 static final Object obj = new Object();
 public static void method1(){
     synchronized(obj){
         //同步块A
         method2();
     }
 }
 public static void method2(){
     synchronized(obj){
         //同步块B
     }
 }NOOK

轻量级锁的上锁过程

  1. 创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word

image-20220505164546254

  1. 让锁记录中Object reference 指向锁对象，并尝试用cas替换Object的Mark Word，将Mark Word的值存入锁记录

image-20220505164847780

  1. 如果cas替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态00，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下：

image-20220505165246689

  1. 如果cas失败，有两种情况
  • 如果是其他线程已经持有了该Object的轻量级锁，这是表明有竞争，进入锁膨胀过程
  • 如果是自己执行了synchronized锁重入，那么再添加一条Lock Record作为重入的计数

image-20220505165852342

  1. 当退出synchronized代码块（解锁时）如果有取值为null的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一

image-20220505170139263

  1. 当退出synchronized代码块（解锁时）锁记录的值不为null，这时使用cas将Mark Word的值恢复给对象头
  • 成功，即解锁成功
  • 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

synchronized——锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，cas操作无法成功，这是有一种情况就是其它线程已经为这个对象加上了轻量级锁，这是就要进行锁膨胀，将轻量级锁变成重量级锁。

  1. 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

image-20220505170855262

  1. 这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

    • 即为对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址
    • 然后自己进入Monitor 的EntryList 变成BLOCKED状态

    image-20220505181558659

  2. 当Thread-0 退出synchronized同步块时，使用cas将Mark Word的值恢复给对象头；失败，那么会进入重量级锁的解锁过程，即按照Monitor的地址找到Monitor对象，将Owner设置为null，唤醒EntryList 中的Thread-1线程

synchronized——自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即在自旋的时候持锁的线程释放了锁），那么当前线程就可以不用进行上下文切换就获得了锁

自旋重试成功的情况：

image-20220505184601013

可以看到，线程2在尝试获取锁失败后并没有立刻进入堵塞状态，而是进行自旋尝试重新获取锁，如果在自旋的过程中，线程1释放了锁，那么线程2就能成功获取锁，这样就避免了线程2进入堵塞态，因为堵塞态需要上下文切换，比较消耗资源

自旋重试失败的情况：

image-20220505185104818

当多次自旋失败后，线程就会进入堵塞态，并进入Monitor的EntryList队列

这里需要注意的是：

  • 在Java6之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚自旋成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高一些，就多自旋几次；反之，如果自旋失败次数过多，就减少自旋甚至不自旋； 自旋次数默认值：10次，可以使用参数-XX:PreBlockSpin来自行更改
  • 自旋会占用CPU时间，单核CPU自旋没有意义，多核CPU自旋才能发挥优势
  • Java7之后不能控制是否开启自旋功能

synchronized——偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行CAS操作

Java6中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争，不用重新CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

例如：

 static final Object obj = new Object();
 public static void m1(){
     synchronized(obj){
         //同步块A
         m2();
     }
 }
 public static void m2(){
     synchronized(obj){
         //同步块B
         m3();
     }
 }
 public static void m3(){
     synchronized(obj){
         //同步块C
     }
 }NOOK

轻量级锁加锁过程：

image-20220505202311000

偏向锁加锁过程： image-20220505202501723

偏向状态

当锁由无锁变为偏向锁时，其对象头中的Mark World字段会发生变化：

image-20220505202837086

一个对象的创建过程

  1. 如果开启了偏向锁（默认是开启的），那么对象刚创建之后，Mark Word 最后三位的值为101，并且这是它的Thread，epoch，age都是0，在加锁的时候进行设置这些的值.

  2. 偏向锁默认是延迟的，不会在程序启动的时候立刻生效，如果想避免延迟，可以添加虚拟机参数来禁用延迟来禁用延迟

     -XX:BiasedLockingStartupDelay=0NOOK

  3. 注意：处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

我们可以测试一下看开启偏向锁后其Mark Word 最后三位的值会不会变为101

详细分析过程请看：https://www.cnblogs.com/LemonFive/p/11246086.html

想看到对象的Mark World，我们需要借助下面的第三方Jar包

 <dependency>
     <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
     <artifactId>jol-core</artifactId>
     <version>0.2</version>
 </dependency>    NOOK

测试代码：

 public class Biased {
     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
         Dog dog = new Dog();
         //true表示只打印2进制信息
         log.debug(ClassLayout.parseClass(dog.getClass()).toPrintable(true));
     }
     static class Dog{
     }
 }    NOOK

输出结果：

image-20220505222132364

输出的第一行内容和锁状态内容对应

 unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2
 ​
    0       0000       0       01   代表A对象正处于无锁状态NOOK

第三行中表示的是被指针压缩为32位的klass pointer

第四行则是我们创建的对象属性信息 4字节

第五行则代表了对象的对齐字段 为了凑齐64位的对象，对齐字段占用了4个字节，32bit

接下来我们演示一段神奇的代码

 public class Biased {
     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
         Dog dog = new Dog();
         //true表示只打印2进制信息
         log.debug(ClassLayout.parseClass(dog.getClass()).toPrintable(true));
         //休眠五秒钟，将Dog对象由无锁状态改变成为偏向锁
         Thread.sleep(5000);
         log.debug(ClassLayout.parseClass(dog.getClass()).toPrintable(true));
     }
     static class Dog{
     }
 }NOOK

输出结果：

image-20220505225032619

添加虚拟机参数消除延迟之后：

测试代码：

 // 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 
 public static void main(String[] args) throws IOException {
     Dog d = new Dog();
     ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
     new Thread(() -> {
         log.debug("synchronized 前");
         System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
         synchronized (d) {
             log.debug("synchronized 中");
             System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
         }
         log.debug("synchronized 后");
         System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
     }, "t1").start();
 }NOOK

打印结果：

 11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
 11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101 
 11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101NOOK

注意 处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

测试禁用

在上面测试代码运行时在添加 VM 参数-XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

输出：

 11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
 11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000 
 11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001NOOK

测试 hashCode

  • 正常状态对象一开始是没有 hashCode 的，第一次调用才生成

撤销 - 调用对象 hashCode

调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销

  • 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
  • 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

在调用 hashCode 后使用偏向锁，记得去掉 -XX:-UseBiasedLocking

输出：

 11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015 
 11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
 00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001 
 11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000 
 11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
 00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001NOOK

撤销 - 其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

撤销 - 调用 wait/notify

当调用wait/notify时会撤销偏向锁，并膨胀为重量级锁

批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象 的 Thread ID

当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至 加锁线程

批量撤销

当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象 都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

synchronized——锁消除

这里执行需要将项目打成一个jar包

锁消除前：

java -jar benchmarks.jar

 Benchmark Mode Samples Score Score error Units 
 c.i.MyBenchmark.a avgt 5 1.542 0.056 ns/op 
 c.i.MyBenchmark.b avgt 5 1.518 0.091 ns/opNOOK

锁消除后：

java -XX:-EliminateLocks -jar benchmarks.jar

 Benchmark Mode Samples Score Score error Units 
 c.i.MyBenchmark.a avgt 5 1.507 0.108 ns/op 
 c.i.MyBenchmark.b avgt 5 16.976 1.572 ns/opNOOK

synchronized——锁粗化

对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，可以使用锁粗化方式来优化，这不同于之前讲的细分锁的粒度

总结

综上，我们发现偏向锁，轻量级锁（又称自旋锁或无锁），重量级锁都是synchronized锁锁实现中锁经历的几种不同的状态。 三种锁状态的场景总结：

只有一个线程进入临界区 -------偏向锁 多个线程交替进入临界区--------轻量级锁 多个线程同时进入临界区-------重量级锁
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