【併發編程】synchronized實現

目錄

1.功能

2.鎖對象

3.JVM實現

3.1 Java對象頭

3.1.1 Mark Word

3.1.2 Klass Word

3.2 鎖狀態

3.2.1 偏向鎖 01

3.2.2 輕量級鎖 00

3.2.3 重量級鎖

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1.功能

synchronized是用與線程同步，是一個重量級互斥鎖，可以保證方法或者代碼塊在運行時，同一時刻只有一個線程可以進入到該對象的臨界區（同一個對象的所有synchronized保衛的代碼塊）。

synchronized是可重入的，即同一個線程，可以多次進入同個對象的多個synchronized塊。

2.鎖對象

synchronized修飾位置	鎖對象	樣例
實例方法	當前實例對象 this	public synchronized void synMethod()
靜態方法	當前類的Class對象	public static synchronized void doSth()
代碼塊	括號裏面的對象, 既可以是實例對象 也可以是類對象	synchronized (lock) {...} synchronized (lock.getClass()) {...}

3.JVM實現

下面看下一個同步塊編譯後的虛擬機指令是什麼樣的，

方法

.class類文件指令

public void synBlock(){   synchronized (this) { // 此處自動加鎖      if (this.x < 12) {         this.x = 12;      }   } // 此處自動解鎖 }

public void synBlock();     descriptor: ()V     flags: ACC_PUBLIC     Code:       stack=2, locals=3, args_size=1          0: aload_0          1: dup          2: astore_1          3: monitorenter          4: aload_0          5: getfield      #2                  // Field x:I          8: bipush        12         10: if_icmpge     19         13: aload_0         14: bipush        12         16: putfield      #2                  // Field x:I         19: aload_1         20: monitorexit         21: goto          29         24: astore_2         25: aload_1         26: monitorexit         27: aload_2         28: athrow         29: return       Exception table:          from    to  target type              4    21    24   any...       LineNumberTable:         line 15: 0        ....       LocalVariableTable:         Start  Length  Slot  Name   Signature             0      30     0  this   ....

synchronized 同步語句塊的實現使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit 指向結束位置。

sum.misc.Unsafe類中也包含類似方法，都是JNI調用，

public native void monitorEnter(Object o);
public native void monitorExit(Object o);

 

3.1 Java對象頭

對象頭:64
Mark Word:32	Klass Word:32

 

數組對象頭:96
Mark Word:32	Klass Word:32	Array Length:32

3.1.1 Mark Word

Mark Word是動態定義的數據結構，在對象不同鎖狀態時，存儲不同的數據，以便減少內存消耗

 

鎖狀態	Mark Word
未鎖定 Normal	hashcode:25 哈希碼		age:4 分代年齡	biased_lock:1 0	lock:2 01
偏向鎖 Biased	thread:23 偏向線程	epoch:2 偏向時間戳	age:4 分代年齡	biased_lock:1 1	lock:2 01
輕量級鎖 Light	ptr_to_lock_record:30 指向鎖記錄的指針				lock:2 00
重量級鎖 Heavy	ptr_to_heavyweight_monitor:30 指向重量級鎖的指針				lock:2 10
GC標記	30 空				lock:2 11

3.1.2 Klass Word

3.2 鎖狀態

jdk1.6對synchronized進行了優化，引入了自旋鎖、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖的概念。

自旋鎖：在未能獲取鎖的時候，該線程進入循環體空跑一段時間，如果跑完正好能夠獲取鎖就能避免切換線程等消耗。

偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖的轉化如下圖，下面一一介紹這3種鎖。

在代碼即將進入同步塊的時候，如果此同步對象沒有被鎖定（lock爲“01”狀態），且biased_lock=0

-XX：+UseBiased Locking 偏向鎖可用	1.lock=01，biased_lock=1， 2.CAS操作threadID到mark word（前23bit）
偏向鎖不可用，（jdk6以前） 用輕量級鎖	1.在棧上鎖記錄lock record拷貝mark word 2.CAS操作lock record指針到mark word
鎖膨脹到重量級鎖

3.2.1 偏向鎖 01

偏向鎖也是JDK 6中引入的一項鎖優化措施，目的是消除在無競爭情況下的同步原語，有些連CAS操作都不去做，進一步提高運行性能。偏向鎖可以通過-XX：+UseBiased Locking參數選擇開啓，從JDK6後默認開啓。

線程競爭圖解	解釋
	對比對象頭是否有當前線程的id， 如果有時則直接重入，此時無需CAS       （基於大多數情況不會鎖競爭，只是線程自己重入） 否則重新獲取鎖，無鎖狀態，且偏向鎖可用
	當鎖對象第一次被線程1獲取的時候（CAS）， 虛擬機將會把對象頭中的鎖標誌位=“01”、偏向模式=“1”， 表示進入偏向模式。 一旦另外一個線程2先判斷線程id是否匹配， 不匹配就競爭這個鎖，偏向模式就馬上撤銷。
	撤銷偏向（偏向模式設置爲“0”）， 對象未鎖定：標誌位恢復到未鎖定（標誌位爲“01”） 對象已鎖定：輕量級鎖定（標誌位爲“00”）

CAS

原子操作Compare And Swap，CAS(V,A,B) ，邏輯如下，只是通過底層操作系統的原子指令操作

    boolean CAS(int V, int A, int B) {
        if (V == A) {
            V = B;
            return true;
        } else {
            return false;
        }
    }

當內存中的V值等於預期A值時，則將內存中的V值更新爲B值，並返回true，否則返回false。

偏向鎖CAS(markword, hash-0-01,t1-id-1-01)，

僅當expect A是hash-0-01時纔會更新爲t1-id-1-01，併發CAS時只有第一個線程t1才能獲取成功，

t2去CAS時會因爲markwork與expect值hash-0-01不一致，操作失敗返回false

3.2.2 輕量級鎖 00

輕量級鎖同過CAS操作

線程競爭圖解	解釋
	發生 不可偏向情況 或者偏向後發生競爭 升級到輕量級鎖
	t1獲取輕量級鎖成功， t2併發競爭失敗，此時發生自旋，等待輕量級鎖

虛擬機首先將在當前線程的棧幀中建立一個名爲鎖記錄（Lock Record）的空間，用於存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝，如圖所示。

使用CAS（Mark Word，hash-0-01，ptr2LR-00） ，更新爲指向Lock Record的指針和鎖標誌00。如果這個更新動作成功了，即代表該線程擁有了這個對象的鎖，此對象處於輕量級鎖定狀態。

3.2.3 重量級鎖

依賴與底層操作系統的mutex lock互斥鎖實現，需要從用戶態切換到內核態，切換成本非常高。

一旦升級到重量級鎖，其它線程競爭鎖時，就直接進入阻塞隊列。