Java并发系列之Synchronized

每一个刚接触多线程并发编程的同学,当被问到,如果多个线程同时访问一段代码,发生并发的时候,应该怎么处理?

我相信闪现在脑海中的第一个解决方案就是用synchronized,用锁,让这段代码同一时间只能被一个线程执行。
我们也知道,synchronized关键字可以用在方法上,也可以用在代码块上,如果要使用synchronized,我们一般就会如下使用:

public synchronized void doSomething() {
    //do something here
}

或者

synchonized(LockObject) {
    //do something here
}

那么实际上,synchronized关键字到底是怎么加锁的?锁又长什么样子的呢?关于锁,还有一些什么样的概念需要我们去认识,去学习,去理解的呢?

以前在学习synchronized的时候,就有文章说, synchronized是一个很重的操作,开销很大,不要轻易使用,我们接受了这样的观点,但是为什么说是重的操作呢,为什么开销就大呢?

到java 1.6之后,java的开发人员又针对锁机制实现了一些优化,又有文章告诉我们现在经过优化后,使用synchronized并没有什么太大的问题了,那这又是因为什么原因呢?到底是做了什么优化?

那今天我们就尝试着从锁机制实现的角度,来讲述一下synchronized在java虚拟机上面的适应场景是怎么样的。

由于java在1.6之后,引入了一些优化的方案,所以我们讲述synchronized,也会基于java1.6之后的版本。

锁对象

首先,我们要知道锁其实就是一个对象,java中每一个对象都能够作为锁。

所以我们在使用synchronized的时候,
1. 对于同步代码块,就得指定锁对象。
2. 对于修饰方法的synchronized,默认的锁对象就是当前方法的对象。
3. 对于修饰静态方法的synchronized,其锁对象就是此方法所对应的类Class对象。

我们知道,所谓的对象,无非也就是内存上的一段地址,上面存放着对应的数据,那么我们就要想,作为锁,它跟其它的对象有什么不一样呢?怎么知道这个对象就是锁呢?怎么知道它跟哪个线程关联呢?它又怎么能够控制线程对于同步代码块的访问呢?

Markword

可以了解到在虚拟机中,对象在内存中的存储分为三部分:
1. 对象头
2. 实例数据
3. 对齐填充

其中,对象头填充的是该对象的一些运行时数据,虚拟机一般用2到3个字宽来存储对象头。
1. 数组对象,会用3个字宽来存储。
2. 非数据对象,则用2个字宽来存储。

其结构简单如下:

长度 内容 说明
32/64bit Markword hashCode,GC分代年龄,锁信息
32/64bit Class Metadata Address 指向对象类型数据的指针
32/64bit Array Length 数组的长度(当对象为数组时)

从上表中,我们可以看到,锁相关的信息,是存在称之为Markword中的内存域中。

拿以下的代码作为例子,

synchonized(LockObject) {
    //do something here
}

在对象LockObject的对象头中,当其被创建的时候,其Markword的结构如下:

bit fields 是否偏向锁 锁标志位
hash age 0 01

从上面Markword的结构中,可以看出

所有新创建的对象,都是可偏向的(锁标志位为01),但都是未偏向的(是否偏向锁标志位为0)。

偏向锁

当线程执行到临界区(critical section)时,此时会利用CAS(Compare and Swap)操作,将线程ID插入到Markword中,同时修改偏向锁的标志位。

这说明此对象就要被当做一个锁来使用,那么其Markword的内容就要发生变化了。
其结构其会变成如下:

bit fields 是否偏向锁 锁标志位
threadId epoch age 1 01

可以看到,
1. 锁的标志位还是01
2. “是否偏向锁”这个字段变成了1
3. hash值变成了线程ID和epoch值

也就是说,这个锁将自己偏向了当前线程,心里默默地藏着线程id, 在这里,我们就引入了“偏向锁”的概念。

在此线程之后的执行过程中,如果再次进入或者退出同一段同步块代码,并不再需要去进行加锁或者解锁操作,而是会做以下的步骤:
1. Load-and-test,也就是简单判断一下当前线程id是否与Markword当中的线程id是否一致.
2. 如果一致,则说明此线程已经成功获得了锁,继续执行下面的代码
3. 如果不一致,则要检查一下对象是否还是可偏向,即“是否偏向锁”标志位的值。
4. 如果还未偏向,则利用CAS操作来竞争锁,也即是第一次获取锁时的操作。
5. 如果此对象已经偏向了,并且不是偏向自己,则说明存在了竞争。此时可能就要根据另外线程的情况,可能是重新偏向,也有可能是做偏向撤销,但大部分情况下就是升级成轻量级锁了。

以下是Java开发人员提供的一张图:

“偏向锁”是Java在1.6引入的一种优化机制,其核心思想在于,可以让同一个线程一直拥有同一个锁,直到出现竞争,才去释放锁。

因为经过虚拟机开发人员的调查研究,在大多数情况下,总是同一个线程去访问同步块代码,基于这样一个假设,引入了偏向锁,只需要用一个CAS操作和简单地判断比较,就可以让一个线程持续地拥有一个锁。

也正因为此假设,在Jdk1.6中,偏向锁的开关是默认开启的,适用于只有一个线程访问同步块的场景。

锁膨胀

在上面,我们讲到,一旦出现竞争,也即有另外一个线程也要来访问这一段代码,偏向锁就不适用于这种场景了。

如果两个线程都是活跃的,会发生竞争,此时偏向锁就会发生升级,也就是我们常常听到的锁膨胀。

偏向锁会膨胀成轻量级锁(lightweight locking)。

锁撤销

偏向锁有一个不好的点就是,一旦出现多线程竞争,需要升级成轻量级锁,是有可能需要先做出销撤销的操作。

而销撤销的操作,相对来说,开销就会比较大,其步骤如下:
1. 在一个安全点停止拥有锁的线程,就跟开始做GC操作一样。
2. 遍历线程栈,如果存在锁记录的话,需要修复锁记录和Markword,使其变成无锁状态。
3. 唤醒当前线程,将当前锁升级成轻量级锁。

轻量级锁

而本质上呢,其实就是锁对象头中的Markword内容又要发生变化了。

下面先简单地描述 其膨胀的步骤:
1. 线程在自己的栈桢中创建锁记录 LockRecord
2. 将锁对象的对象头中的MarkWord复制到线程的刚刚创建的锁记录中
3. 将锁记录中的Owner指针指向锁对象
4. 将锁对象的对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针。

同样,我们还是利用Java开发人员提供的一张图来描述此步骤:

可以根据上面两图来印证上面几个步骤,但在这里,其实对象的Markword其实也是发生了变化的,其现在的内容结构如下:

bit fields 锁标志位
指向LockRecord的指针 00

说到这里,我们又通过偏向锁引入了轻量级锁的概念,那么轻量级锁是怎么个轻量级法,它具体的实现又是怎么样的呢?

就像偏向锁的前提,是同步代码块在大多数情况下只有同一个线程访问的时候。
而轻量级锁的前提则是,线程在同步代码块里面的操作非常快,获取锁之后,很快就结束操作,然后将锁释放出来。

但是不管再怎么快,一旦一个线程获得锁了,那么另一个线程同时也来访问这段代码时,怎么办呢?这就涉及到我们下面所说的锁自旋的概念了。

自旋锁/自适应自旋锁

来到轻量级锁,其实轻量级的叙述就来自于自旋的概念。
因为前提是线程在临界区的操作非常快,所以它会非常快速地释放锁,所以只要让另外一个线程在那里地循环等待,然后当锁被释放时,它马上就能够获得锁,然后进入临界区执行,然后马上又释放锁,让给另外一个线程。
所谓自旋,就是线程在原地空循环地等待,不阻塞,但它是消耗CPU的。
所以对于轻量级锁,它也有其限制所在:
1. 因为消耗CPU,所以自旋的次数是有限的,如果自旋到达一定的次数之后,还获取不到锁,那这种自旋也就无意义。但在上述的前提下,这种自旋的次数还是比较少的(经验数据)。
当然,一开始的自旋次数都是固定的,但是在经验代码中,获得锁的线程通常能够马上再获得锁,所以又引入了自适应的自旋,即根据上次获得锁的情况和当前的线程状态,动态地修改当前线程自旋的次数。
2. 当另一个线程释放锁之后,当前线程要能够马上获得锁,所以如果有超过两个的线程同时访问这段代码,就算另外一个线程释放锁之后,当前线程也可能获取不到锁,还是要继续等待,空耗CPU。

从以上两点可以看出,当线程通过自旋获取不到锁了,比如临界区的操作太花时间了,或者有超过2个以上的线程在竞争锁了,轻量级锁的前提又不成立了。当虚拟机检查到这种情况时,又开始了膨胀的脚步。

互斥锁(重量级锁)

相比起轻量级锁,再膨胀的锁,一般称之为重量级锁,因为是依赖于每个对象内部都有的monitor锁来实现的,而monitor又依赖于操作系统的MutexLock(互斥锁)来实现,所以一般重量级锁也叫互斥锁。

由于需要在操作系统的内核态和用户态之间切换的,需要将线程阻塞挂起,切换线程的上下文,再恢复等操作,所以当synchronized升级成互斥锁,依赖monitor的时候,开销就比较大了,而这也是之前为什么说synchronized是一个很重的操作的原因了。

当然,升级成互斥锁之后,锁对象头的Markword内容也是会变化的,其内容如下:

bit fields 锁标志位
指向Mutex的指针 00

每次检查当前线程是否获得锁,其实就是检查Mutex的值是否为0,不为0,说明其为其线程所占有,此时操作系统就会介入,将线程阻塞,挂起,释放CPU时间,等待下一次的线程调度。

好了,到这里,对于synchronized所修改的同步方法或者同步代码块,虚拟机是如何操作的,大家应该也有一个简单的印象了。

当使用synchronized关键字的时候,在java1.6之后,根据不同的条件和场景,虚拟机是一步一步地将偏向锁升级成轻量级锁,再最终升级成重量级锁的,而这个过程是不可逆的,因为一旦升级成重量级锁,则说明偏向锁和轻量级锁是不适用于当前的应用场景的,那再降级回去也没什么意义。

从这一点,也可以看出,如果我们的应用场景本身就不适用于偏向锁和轻量级锁,那么我们在程序一开始,就应该禁用掉偏向锁和轻量级锁,直接使用重量级锁,省去无谓的开销。

总结

在这里总结一下,在使用synchronized关键字的时候,本质上是否获得锁,是通过修改锁对象头中的markword的内容来标记是否获得锁,并由虚拟机来根据具体的应用场景来锁进行升级。

简单地将上述几个零散的markword变化合在一起,展示在下面:

锁状态 bits 1bit是否是偏向锁 2bit锁标志位
无锁状态 对象的hashCode 0 01
偏向锁 线程ID 1 01
轻量级锁 指向栈中锁记录的指针 0 00
重量级锁 指向互斥量的指针 0 10

【参考资料】

Eliminating Synchronization Related Atomic Operations with Biased Locking and Bulk Rebiasing

深入理解java:2.2. 同步锁Synchronized及其实现原理

java多线程synchronized底层实现

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