聊聊Java并發(fā)中的Synchronized
1 引言
在多線程并發(fā)編程中Synchronized一直是元老級(jí)角色，很多人都會(huì)稱呼它為重量級(jí)鎖，但是隨著Java SE1.6對(duì)Synchronized進(jìn)行了各種優(yōu)化之后，有些情況下它并不那么重了，本文詳細(xì)介紹了Java SE1.6中為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來(lái)的性能消耗而引入的偏向鎖和輕量級(jí)鎖，以及鎖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和升級(jí)過(guò)程。
2 術(shù)語(yǔ)定義
| 術(shù)語(yǔ) | 英文 | 說(shuō)明 |
| CAS | Compare and Swap | 比較并設(shè)置。用于在硬件層面上提供原子性操作。在 Intel 處理器中，比較并交換通過(guò)指令cmpxchg實(shí)現(xiàn)。比較是否和給定的數(shù)值一致，如果一致則修改，不一致則不修改 |
3同步的基礎(chǔ)
Java中的每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖。
對(duì)于同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象。
對(duì)于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前對(duì)象的Class對(duì)象。
對(duì)于同步方法塊，鎖是Synchonized括號(hào)里配置的對(duì)象。
當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問(wèn)同步代碼塊時(shí)，它首先必須得到鎖，退出或拋出異常時(shí)必須釋放鎖。那么鎖存在哪里呢？鎖里面會(huì)存儲(chǔ)什么信息呢？
4同步的原理
JVM規(guī)范規(guī)定JVM基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)方法同步和代碼塊同步，但兩者的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不一樣。代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)，而方法同步是使用另外一種方式實(shí)現(xiàn)的，細(xì)節(jié)在JVM規(guī)范里并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明，但是方法的同步同樣可以使用這兩個(gè)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。monitorenter指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開(kāi)始位置，而monitorexit是插入到方法結(jié)束處和異常處，JVM要保證每個(gè)monitorenter必須有對(duì)應(yīng)的monitorexit與之配對(duì)。任何對(duì)象都有一個(gè)monitor與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個(gè)monitor被持有后，它將處于鎖定狀態(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的所有權(quán)，即嘗試獲得對(duì)象的鎖。
4.1Java對(duì)象頭
鎖存在Java對(duì)象頭里。如果對(duì)象是數(shù)組類(lèi)型，則虛擬機(jī)用3個(gè)Word（字寬）存儲(chǔ)對(duì)象頭，如果對(duì)象是非數(shù)組類(lèi)型，則用2字寬存儲(chǔ)對(duì)象頭。在32位虛擬機(jī)中，一字寬等于四字節(jié)，即32bit。
| 長(zhǎng)度 | 內(nèi)容 | 說(shuō)明 |
| 32/64bit | Mark Word | 存儲(chǔ)對(duì)象的hashCode或鎖信息等。 |
| 32/64bit | Class Metadata Address | 存儲(chǔ)到對(duì)象類(lèi)型數(shù)據(jù)的指針 |
| 32/64bit | Array length | 數(shù)組的長(zhǎng)度（如果當(dāng)前對(duì)象是數(shù)組） |
Java對(duì)象頭里的Mark Word里默認(rèn)存儲(chǔ)對(duì)象的HashCode，分代年齡和鎖標(biāo)記位。32位JVM的Mark Word的默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：
25 bit |
4bit | 1bit是否是偏向鎖 | 2bit鎖標(biāo)志位 |
| 無(wú)鎖狀態(tài) | 對(duì)象的hashCode | 對(duì)象分代年齡 | 0 |
在運(yùn)行期間Mark Word里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲(chǔ)以下4種數(shù)據(jù)：
| 鎖狀態(tài) |
25 bit |
4bit |
1bit | 2bit | ||
| 23bit | 2bit | 是否是偏向鎖 | 鎖標(biāo)志位 | |||
| 輕量級(jí)鎖 | 指向棧中鎖記錄的指針 | 00 | ||||
| 重量級(jí)鎖 | 指向互斥量（重量級(jí)鎖）的指針 | 10 | ||||
| GC標(biāo)記 | 空 | 11 | ||||
| 偏向鎖 | 線程ID | Epoch | 對(duì)象分代年齡 | 1 | 01 | |
在64位虛擬機(jī)下，Mark Word是64bit大小的，其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：
| 鎖狀態(tài) |
25bit |
31bit |
1bit |
4bit |
1bit | 2bit | |
| cms_free | 分代年齡 | 偏向鎖 | 鎖標(biāo)志位 | ||||
| 無(wú)鎖 | unused | hashCode | 0 | 01 | |||
| 偏向鎖 | ThreadID(54bit) Epoch(2bit) | 1 | 01 | ||||
4.2鎖的升級(jí)
JavaSE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來(lái)的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”，所以在JavaSE1.6里鎖一共有四種狀態(tài)，無(wú)鎖狀態(tài)，偏向鎖狀態(tài)，輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，它會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)。鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率，下文會(huì)詳細(xì)分析。
4.3偏向鎖
Hotspot的作者經(jīng)過(guò)以往的研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況下鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要花費(fèi)CAS操作來(lái)加鎖和解鎖，而只需簡(jiǎn)單的測(cè)試一下對(duì)象頭的MarkWord里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖，如果測(cè)試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖，如果測(cè)試失敗，則需要再測(cè)試下MarkWord中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1（表示當(dāng)前是偏向鎖），如果沒(méi)有設(shè)置，則使用CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖，如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對(duì)象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程。
偏向鎖的撤銷(xiāo)：偏向鎖使用了一種等到競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，所以當(dāng)其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖。偏向鎖的撤銷(xiāo)，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有字節(jié)碼正在執(zhí)行），它會(huì)首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活著，如果線程不處于活動(dòng)狀態(tài)，則將對(duì)象頭設(shè)置成無(wú)鎖狀態(tài)，如果線程仍然活著，擁有偏向鎖的棧會(huì)被執(zhí)行，遍歷偏向?qū)ο蟮逆i記錄，棧中的鎖記錄和對(duì)象頭的MarkWord要么重新偏向于其他線程，要么恢復(fù)到無(wú)鎖或者標(biāo)記對(duì)象不適合作為偏向鎖，最后喚醒暫停的線程。下圖中的線程1演示了偏向鎖初始化的流程，線程2演示了偏向鎖撤銷(xiāo)的流程。
關(guān)閉偏向鎖：偏向鎖在Java 6和Java 7里是默認(rèn)啟用的，但是它在應(yīng)用程序啟動(dòng)幾秒鐘之后才激活，如有必要可以使用JVM參數(shù)來(lái)關(guān)閉延遲-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。如果你確定自己應(yīng)用程序里所有的鎖通常情況下處于競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，可以通過(guò)JVM參數(shù)關(guān)閉偏向鎖-XX:-UseBiasedLocking=false，那么默認(rèn)會(huì)進(jìn)入輕量級(jí)鎖狀態(tài)。
4.4 輕量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖加鎖：線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會(huì)先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間，并將對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對(duì)象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來(lái)獲取鎖。
輕量級(jí)鎖解鎖：輕量級(jí)解鎖時(shí)，會(huì)使用原子的CAS操作來(lái)將Displaced Mark Word替換回到對(duì)象頭，如果成功，則表示沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生。如果失敗，表示當(dāng)前鎖存在競(jìng)爭(zhēng)，鎖就會(huì)膨脹成重量級(jí)鎖。下圖是兩個(gè)線程同時(shí)爭(zhēng)奪鎖，導(dǎo)致鎖膨脹的流程圖。
因?yàn)樽孕龝?huì)消耗CPU，為了避免無(wú)用的自旋（比如獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖升級(jí)成重量級(jí)鎖，就不會(huì)再恢復(fù)到輕量級(jí)鎖狀態(tài)。當(dāng)鎖處于這個(gè)狀態(tài)下，其他線程試圖獲取鎖時(shí)，都會(huì)被阻塞住，當(dāng)持有鎖的線程釋放鎖之后會(huì)喚醒這些線程，被喚醒的線程就會(huì)進(jìn)行新一輪的奪鎖之爭(zhēng)。
5 鎖的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
|
鎖 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
適用場(chǎng)景 |
|
偏向鎖 |
加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執(zhí)行非同步方法比僅存在納秒級(jí)的差距。 |
如果線程間存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)帶來(lái)額外的鎖撤銷(xiāo)的消耗。 |
適用于只有一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊場(chǎng)景。 |
|
輕量級(jí)鎖 |
競(jìng)爭(zhēng)的線程不會(huì)阻塞，提高了程序的響應(yīng)速度。 |
如果始終得不到鎖競(jìng)爭(zhēng)的線程使用自旋會(huì)消耗CPU。 |
追求響應(yīng)時(shí)間。 同步塊執(zhí)行速度非?？?。 |
|
重量級(jí)鎖 |
線程競(jìng)爭(zhēng)不使用自旋，不會(huì)消耗CPU。 |
線程阻塞，響應(yīng)時(shí)間緩慢。 |
追求吞吐量。 同步塊執(zhí)行速度較長(zhǎng)。 |
6 參考源碼
本文一些內(nèi)容參考了HotSpot源碼 。對(duì)象頭源碼markOop.hpp。偏向鎖源碼biasedLocking.cpp。以及其他源碼ObjectMonitor.cpp和BasicLock.cpp。
總結(jié)
以上就是本文關(guān)于聊聊Java并發(fā)中的Synchronized的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站：
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