這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)Java中synchronized如何實(shí)現(xiàn),小編覺得挺實(shí)用的,因此分享給大家做個(gè)參考,希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。
記得剛剛開始學(xué)習(xí)Java的時(shí)候,一遇到多線程情況就是synchronized,相對(duì)于當(dāng)時(shí)的我們來說synchronized是這么的神奇而又強(qiáng)大,那個(gè)時(shí)候我們賦予它一個(gè)名字“同步”,也成為了我們解決多線程情況的百試不爽的良藥。但是,隨著我們學(xué)習(xí)的進(jìn)行我們知道synchronized是一個(gè)重量級(jí)鎖,相對(duì)于Lock,它會(huì)顯得那么笨重,以至于我們認(rèn)為它不是那么的高效而慢慢摒棄它。
誠(chéng)然,隨著Javs SE 1.6對(duì)synchronized進(jìn)行的各種優(yōu)化后,synchronized并不會(huì)顯得那么重了。下面跟隨LZ一起來探索synchronized的實(shí)現(xiàn)機(jī)制、Java是如何對(duì)它進(jìn)行了優(yōu)化、鎖優(yōu)化機(jī)制、鎖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和升級(jí)過程;
實(shí)現(xiàn)原理
synchronized可以保證方法或者代碼塊在運(yùn)行時(shí),同一時(shí)刻只有一個(gè)方法可以進(jìn)入到臨界區(qū),同時(shí)它還可以保證共享變量的內(nèi)存可見性
Java中每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖,這是synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ):
普通同步方法,鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象
靜態(tài)同步方法,鎖是當(dāng)前類的class對(duì)象
同步方法塊,鎖是括號(hào)里面的對(duì)象
當(dāng)一個(gè)線程訪問同步代碼塊時(shí),它首先是需要得到鎖才能執(zhí)行同步代碼,當(dāng)退出或者拋出異常時(shí)必須要釋放鎖,那么它是如何來實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制的呢?我們先看一段簡(jiǎn)單的代碼:
public class SynchronizedTest { public synchronized void test1(){ } public void test2(){ synchronized (this){ } } }
利用javap工具查看生成的class文件信息來分析Synchronize的實(shí)現(xiàn)
從上面可以看出,同步代碼塊是使用monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)的,同步方法(在這看不出來需要看JVM底層實(shí)現(xiàn))依靠的是方法修飾符上的ACC_SYNCHRONIZED實(shí)現(xiàn)。
同步代碼塊:monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置,monitorexit指令插入到同步代碼塊的結(jié)束位置,JVM需要保證每一個(gè)monitorenter都有一個(gè)monitorexit與之相對(duì)應(yīng)。任何對(duì)象都有一個(gè)monitor與之相關(guān)聯(lián),當(dāng)且一個(gè)monitor被持有之后,他將處于鎖定狀態(tài)。線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí),將會(huì)嘗試獲取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的monitor所有權(quán),即嘗試獲取對(duì)象的鎖;
同步方法:synchronized方法則會(huì)被翻譯成普通的方法調(diào)用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令,在VM字節(jié)碼層面并沒有任何特別的指令來實(shí)現(xiàn)被synchronized修飾的方法,而是在Class文件的方法表中將該方法的access_flags字段中的synchronized標(biāo)志位置1,表示該方法是同步方法并使用調(diào)用該方法的對(duì)象或該方法所屬的Class在JVM的內(nèi)部對(duì)象表示Klass做為鎖對(duì)象(參考:https://www.jb51.net/article/129245.htm)
下面我們來繼續(xù)分析,但是在深入之前我們需要了解兩個(gè)重要的概念:Java對(duì)象頭,Monitor。
Java對(duì)象頭、monitor
Java對(duì)象頭和monitor是實(shí)現(xiàn)synchronized的基礎(chǔ)!下面就這兩個(gè)概念來做詳細(xì)介紹。
Java對(duì)象頭
synchronized用的鎖是存在Java對(duì)象頭里的,那么什么是Java對(duì)象頭呢?Hotspot虛擬機(jī)的對(duì)象頭主要包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù):Mark Word(標(biāo)記字段)、Klass Pointer(類型指針)。其中Klass Point是是對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針,虛擬機(jī)通過這個(gè)指針來確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例,Mark Word用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù),它是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵,所以下面將重點(diǎn)闡述
Mark Word。
Mark Word用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù),如哈希碼(HashCode)、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時(shí)間戳等等。Java對(duì)象頭一般占有兩個(gè)機(jī)器碼(在32位虛擬機(jī)中,1個(gè)機(jī)器碼等于4字節(jié),也就是32bit),但是如果對(duì)象是數(shù)組類型,則需要三個(gè)機(jī)器碼,因?yàn)镴VM虛擬機(jī)可以通過Java對(duì)象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對(duì)象的大小,但是無法從數(shù)組的元數(shù)據(jù)來確認(rèn)數(shù)組的大小,所以用一塊來記錄數(shù)組長(zhǎng)度。下圖是Java對(duì)象頭的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)(32位虛擬機(jī)):
對(duì)象頭信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)無關(guān)的額外存儲(chǔ)成本,但是考慮到虛擬機(jī)的空間效率,Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù),它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間,也就是說,Mark Word會(huì)隨著程序的運(yùn)行發(fā)生變化,變化狀態(tài)如下(32位虛擬機(jī)):
簡(jiǎn)單介紹了Java對(duì)象頭,我們下面再看Monitor。
Monitor
什么是Monitor?我們可以把它理解為一個(gè)同步工具,也可以描述為一種同步機(jī)制,它通常被描述為一個(gè)對(duì)象。
與一切皆對(duì)象一樣,所有的Java對(duì)象是天生的Monitor,每一個(gè)Java對(duì)象都有成為Monitor的潛質(zhì),因?yàn)樵贘ava的設(shè)計(jì)中 ,每一個(gè)Java對(duì)象自打娘胎里出來就帶了一把看不見的鎖,它叫做內(nèi)部鎖或者M(jìn)onitor鎖。
Monitor 是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),每一個(gè)線程都有一個(gè)可用monitor record列表,同時(shí)還有一個(gè)全局的可用列表。每一個(gè)被鎖住的對(duì)象都會(huì)和一個(gè)monitor關(guān)聯(lián)(對(duì)象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址),同時(shí)monitor中有一個(gè)Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一標(biāo)識(shí),表示該鎖被這個(gè)線程占用。其結(jié)構(gòu)如下:
Owner:初始時(shí)為NULL表示當(dāng)前沒有任何線程擁有該monitorrecord,當(dāng)線程成功擁有該鎖后保存線程唯一標(biāo)識(shí),當(dāng)鎖被釋放時(shí)又設(shè)置為NULL;
EntryQ:關(guān)聯(lián)一個(gè)系統(tǒng)互斥鎖(semaphore),阻塞所有試圖鎖住monitorrecord失敗的線程。
RcThis:表示blocked或waiting在該monitorrecord上的所有線程的個(gè)數(shù)。
Nest:用來實(shí)現(xiàn)重入鎖的計(jì)數(shù)。
HashCode:保存從對(duì)象頭拷貝過來的HashCode值(可能還包含GCage)。
Candidate:用來避免不必要的阻塞或等待線程喚醒,因?yàn)槊恳淮沃挥幸粋€(gè)線程能夠成功擁有鎖,如果每次前一個(gè)釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程,會(huì)引起不必要的上下文切換(從阻塞到就緒然后因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)鎖失敗又被阻塞)從而導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降。Candidate只有兩種可能的值0表示沒有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個(gè)繼任線程來競(jìng)爭(zhēng)鎖。
參考:聊聊Java并發(fā)中的Synchronized
我們知道synchronized是重量級(jí)鎖,效率不怎么滴,同時(shí)這個(gè)觀念也一直存在我們腦海里,不過在jdk1.6中對(duì)synchronize的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了各種優(yōu)化,使得它顯得不是那么重了,那么JVM采用了那些優(yōu)化手段呢?
鎖優(yōu)化
jdk1.6對(duì)鎖的實(shí)現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化,如自旋鎖、適應(yīng)性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級(jí)鎖等技術(shù)來減少鎖操作的開銷。
鎖主要存在四中狀態(tài),依次是:無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)、重量級(jí)鎖狀態(tài),他們會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的激烈而逐漸升級(jí)。注意鎖可以升級(jí)不可降級(jí),這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
自旋鎖
線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài),頻繁的阻塞和喚醒對(duì)CPU來說是一件負(fù)擔(dān)很重的工作,勢(shì)必會(huì)給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來很大的壓力。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)在許多應(yīng)用上面,對(duì)象鎖的鎖狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短一段時(shí)間,為了這一段很短的時(shí)間頻繁地阻塞和喚醒線程是非常不值得的。所以引入自旋鎖。
何謂自旋鎖?
所謂自旋鎖,就是讓該線程等待一段時(shí)間,不會(huì)被立即掛起,看持有鎖的線程是否會(huì)很快釋放鎖。怎么等待呢?執(zhí)行一段無意義的循環(huán)即可(自旋)。
自旋等待不能替代阻塞,先不說對(duì)處理器數(shù)量的要求(多核,貌似現(xiàn)在沒有單核的處理器了),雖然它可以避免線程切換帶來的開銷,但是它占用了處理器的時(shí)間。如果持有鎖的線程很快就釋放了鎖,那么自旋的效率就非常好,反之,自旋的線程就會(huì)白白消耗掉處理的資源,它不會(huì)做任何有意義的工作,典型的占著茅坑不拉屎,這樣反而會(huì)帶來性能上的浪費(fèi)。所以說,自旋等待的時(shí)間(自旋的次數(shù))必須要有一個(gè)限度,如果自旋超過了定義的時(shí)間仍然沒有獲取到鎖,則應(yīng)該被掛起。
自旋鎖在JDK1.4.2中引入,默認(rèn)關(guān)閉,但是可以使用-XX:+UseSpinning開開啟,在JDK1.6中默認(rèn)開啟。同時(shí)自旋的默認(rèn)次數(shù)為10次,可以通過參數(shù)-XX:PreBlockSpin來調(diào)整;
如果通過參數(shù)-XX:preBlockSpin來調(diào)整自旋鎖的自旋次數(shù),會(huì)帶來諸多不便。假如我將參數(shù)調(diào)整為10,但是系統(tǒng)很多線程都是等你剛剛退出的時(shí)候就釋放了鎖(假如你多自旋一兩次就可以獲取鎖),你是不是很尷尬。于是JDK1.6引入自適應(yīng)的自旋鎖,讓虛擬機(jī)會(huì)變得越來越聰明。
適應(yīng)自旋鎖
JDK1.6引入了更加聰明的自旋鎖,即自適應(yīng)自旋鎖。所謂自適應(yīng)就意味著自旋的次數(shù)不再是固定的,它是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定。它怎么做呢?線程如果自旋成功了,那么下次自旋的次數(shù)會(huì)更加多,因?yàn)樘摂M機(jī)認(rèn)為既然上次成功了,那么此次自旋也很有可能會(huì)再次成功,那么它就會(huì)允許自旋等待持續(xù)的次數(shù)更多。反之,如果對(duì)于某個(gè)鎖,很少有自旋能夠成功的,那么在以后要或者這個(gè)鎖的時(shí)候自旋的次數(shù)會(huì)減少甚至省略掉自旋過程,以免浪費(fèi)處理器資源。
有了自適應(yīng)自旋鎖,隨著程序運(yùn)行和性能監(jiān)控信息的不斷完善,虛擬機(jī)對(duì)程序鎖的狀況預(yù)測(cè)會(huì)越來越準(zhǔn)確,虛擬機(jī)會(huì)變得越來越聰明。
鎖消除
為了保證數(shù)據(jù)的完整性,我們?cè)谶M(jìn)行操作時(shí)需要對(duì)這部分操作進(jìn)行同步控制,但是在有些情況下,JVM檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng),這是JVM會(huì)對(duì)這些同步鎖進(jìn)行鎖消除。鎖消除的依據(jù)是逃逸分析的數(shù)據(jù)支持。
如果不存在競(jìng)爭(zhēng),為什么還需要加鎖呢?所以鎖消除可以節(jié)省毫無意義的請(qǐng)求鎖的時(shí)間。變量是否逃逸,對(duì)于虛擬機(jī)來說需要使用數(shù)據(jù)流分析來確定,但是對(duì)于我們程序員來說這還不清楚么?我們會(huì)在明明知道不存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的代碼塊前加上同步嗎?但是有時(shí)候程序并不是我們所想的那樣?我們雖然沒有顯示使用鎖,但是我們?cè)谑褂靡恍㎎DK的內(nèi)置API時(shí),如StringBuffer、Vector、HashTable等,這個(gè)時(shí)候會(huì)存在隱形的加鎖操作。比如StringBuffer的append()方法,Vector的add()方法:
public void vectorTest(){ Vector<String> vector = new Vector<String>(); for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){ vector.add(i + ""); } System.out.println(vector); }
在運(yùn)行這段代碼時(shí),JVM可以明顯檢測(cè)到變量vector沒有逃逸出方法vectorTest()之外,所以JVM可以大膽地將vector內(nèi)部的加鎖操作消除。
鎖粗化
我們知道在使用同步鎖的時(shí)候,需要讓同步塊的作用范圍盡可能小—僅在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步,這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小,如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng),那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。
在大多數(shù)的情況下,上述觀點(diǎn)是正確的,LZ也一直堅(jiān)持著這個(gè)觀點(diǎn)。但是如果一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作,可能會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗,所以引入鎖粗話的概念。
鎖粗話概念比較好理解,就是將多個(gè)連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起,擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖。如上面實(shí)例:vector每次add的時(shí)候都需要加鎖操作,JVM檢測(cè)到對(duì)同一個(gè)對(duì)象(vector)連續(xù)加鎖、解鎖操作,會(huì)合并一個(gè)更大范圍的加鎖、解鎖操作,即加鎖解鎖操作會(huì)移到for循環(huán)之外。
輕量級(jí)鎖
引入輕量級(jí)鎖的主要目的是在多沒有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下,減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能或者多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖,則會(huì)嘗試獲取輕量級(jí)鎖,其步驟如下:
獲取鎖
判斷當(dāng)前對(duì)象是否處于無鎖狀態(tài)(hashcode、0、01),若是,則JVM首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄(Lock Record)的空間,用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝(官方把這份拷貝加了一個(gè)Displaced前綴,即Displaced Mark Word);否則執(zhí)行步驟(3);
JVM利用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指正,如果成功表示競(jìng)爭(zhēng)到鎖,則將鎖標(biāo)志位變成00(表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖狀態(tài)),執(zhí)行同步操作;如果失敗則執(zhí)行步驟(3);
判斷當(dāng)前對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀,如果是則表示當(dāng)前線程已經(jīng)持有當(dāng)前對(duì)象的鎖,則直接執(zhí)行同步代碼塊;否則只能說明該鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了,這時(shí)輕量級(jí)鎖需要膨脹為重量級(jí)鎖,鎖標(biāo)志位變成10,后面等待的線程將會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài);
釋放鎖
輕量級(jí)鎖的釋放也是通過CAS操作來進(jìn)行的,主要步驟如下:
取出在獲取輕量級(jí)鎖保存在Displaced Mark Word中的數(shù)據(jù);
用CAS操作將取出的數(shù)據(jù)替換當(dāng)前對(duì)象的Mark Word中,如果成功,則說明釋放鎖成功,否則執(zhí)行(3);
如果CAS操作替換失敗,說明有其他線程嘗試獲取該鎖,則需要在釋放鎖的同時(shí)需要喚醒被掛起的線程。
對(duì)于輕量級(jí)鎖,其性能提升的依據(jù)是“對(duì)于絕大部分的鎖,在整個(gè)生命周期內(nèi)都是不會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)的”,如果打破這個(gè)依據(jù)則除了互斥的開銷外,還有額外的CAS操作,因此在有多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下,輕量級(jí)鎖比重量級(jí)鎖更慢;
下圖是輕量級(jí)鎖的獲取和釋放過程
偏向鎖
引入偏向鎖主要目的是:為了在無多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下盡量減少不必要的輕量級(jí)鎖執(zhí)行路徑。上面提到了輕量級(jí)鎖的加鎖解鎖操作是需要依賴多次CAS原子指令的。那么偏向鎖是如何來減少不必要的CAS操作呢?我們可以查看Mark work的結(jié)構(gòu)就明白了。只需要檢查是否為偏向鎖、鎖標(biāo)識(shí)為以及ThreadID即可,處理流程如下:
獲取鎖
檢測(cè)Mark Word是否為可偏向狀態(tài),即是否為偏向鎖1,鎖標(biāo)識(shí)位為01;
若為可偏向狀態(tài),則測(cè)試線程ID是否為當(dāng)前線程ID,如果是,則執(zhí)行步驟(5),否則執(zhí)行步驟(3);
如果線程ID不為當(dāng)前線程ID,則通過CAS操作競(jìng)爭(zhēng)鎖,競(jìng)爭(zhēng)成功,則將Mark Word的線程ID替換為當(dāng)前線程ID,否則執(zhí)行線程(4);
通過CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖失敗,證明當(dāng)前存在多線程競(jìng)爭(zhēng)情況,當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn),獲得偏向鎖的線程被掛起,偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖,然后被阻塞在安全點(diǎn)的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼塊;
執(zhí)行同步代碼塊
釋放鎖
偏向鎖的釋放采用了一種只有競(jìng)爭(zhēng)才會(huì)釋放鎖的機(jī)制,線程是不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖,需要等待其他線程來競(jìng)爭(zhēng)。偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點(diǎn)(這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是上沒有正在執(zhí)行的代碼)。其步驟如下:
暫停擁有偏向鎖的線程,判斷鎖對(duì)象石是否還處于被鎖定狀態(tài);
撤銷偏向蘇,恢復(fù)到無鎖狀態(tài)(01)或者輕量級(jí)鎖的狀態(tài);
下圖是偏向鎖的獲取和釋放流程
重量級(jí)鎖
重量鎖在JVM中又叫對(duì)象監(jiān)視器(Monitor),它很像C中的Mutex,除了具備Mutex(0|1)互斥的功能,它還負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)了Semaphore(信號(hào)量)的功能,也就是說它至少包含一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)鎖的隊(duì)列,和一個(gè)信號(hào)阻塞隊(duì)列(wait隊(duì)列),前者負(fù)責(zé)做互斥,后一個(gè)用于做線程同步。
重量級(jí)鎖通過對(duì)象內(nèi)部的監(jiān)視器(monitor)實(shí)現(xiàn),其中monitor的本質(zhì)是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock實(shí)現(xiàn),操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換,切換成本非常高。
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