利用synchronized实现同步的基础:Java中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下3种形式。
public synchronized void test(){
i++;
}
字节码中并没有monitorenter指令和monitorexit指令,取得代之的是ACC_SYNCHRONIZED标识,JVM通过ACC_SYNCHRONIZED标识,就可以知道这是一个需要同步的方法,进而执行上述同步的过程,也就是_count加1,这些过程。
public class SynchronizedTest {
int i = 0;
public void test1(){
synchronized (SynchronizedTest.class){
i++;
}
}
}
javap SynchronizedTest
Synchonized在JVM里的实现原理:JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步。monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置,而monitorexit是插入到方法结束处和异常处,JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联,当且一个monitor被持有后,它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时,将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权,即尝试获得对象的锁。
synchronized用的锁是存在Java对象头里的。如果对象是数组类型,则虚拟机用3个字宽(Word)存储对象头,如果对象是非数组类型,则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中,1字宽等于4字节,即32bit。
java对象头
长度 | 内容 | 说明 |
---|---|---|
32/64bit | Mark Word | 存储对象的hashCode或锁信息等 |
32/64bit | Class Metadata Address | 存储到对象类型数据的指针 |
32/64bit | Array length | 数组的长度(如果当前对象是数组) |
Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位,32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下
锁状态 | 25bit | 4bit | 1bit是否是偏向锁 | 2bit标志位 |
---|---|---|---|---|
无锁状态 | 对象的hashCode | 对象分代年龄 | 0 | 01 |
在运行期间,Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据
锁状态 | 25bit | 4bit |
1bit | 2bit | |
---|---|---|---|---|---|
23bit | 2bit | 是否是偏向锁 | 锁标志位 | ||
轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 | 00 | |||
重量级锁 | 指向互斥量(重量级锁)的指针 | 10 | |||
GC标记 | 空 | 11 | |||
偏向锁 | 线程ID | Epoch | 对象分代年龄 | 1 | 01 |
在64位虚拟机下,Mark Word是64bit大小的,Mark Word的存储结构
锁状态 | 25bit | 31bit | 1bit | 4bit | 1bit | 2bit |
---|---|---|---|---|---|---|
cms_free | 分代年龄 | 偏向锁 | 锁标志位 | |||
无锁 | unused | hashCode | 0 | 01 | ||
偏向锁 | ThreadID(54bit)Epoch(2bit) | 1 | 01 |
Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗,引入了“偏向锁”和“轻量级锁”,在Java SE 1.6中,锁一共有4种状态,级别从低到高依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态,这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略,目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。
大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID,以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁,只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功,表示线程已经获得了锁。如果测试失败,则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1(表示当前是偏向锁):如果没有设置,则使用CAS竞争锁;如果设置了,则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。
偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制,所以当其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码)。它会首先暂停拥有偏向锁的线程,然后检查持有偏向锁的线程是否活着,如果线程不处于活动状态,则将对象头设置成无锁状态;如果线程仍然活着,拥有偏向锁的栈会被执行,遍历偏向对象的锁记录,栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程,要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁,最后唤醒暂停的线程。
偏向锁在Java 是默认启用的,但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活,如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟:-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态,可以通过JVM参数关闭偏向锁:-XX:-UseBiasedLocking=false,那么程序默认会进入轻量级锁状态。
线程在执行同步块之前,JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中,官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功,当前线程获得锁,如果失败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头,如果成功,则表示没有竞争发生。如果失败,表示当前锁存在竞争,锁就会膨胀成重量级锁。
两个线程同时争夺锁,导致锁升级的流程图
因为自旋会消耗CPU,为了避免无用的自旋(比如获得锁的线程被阻塞住了),一旦锁升级成重量级锁,就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下,其他线程试图获取锁时,都会被阻塞住,当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程,被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。
锁的优缺点对比
锁 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
---|---|---|---|
偏向锁 | 加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距 |
如果线程间存在锁竞争,会带来额外的锁撤销的消耗 | 适用于只有一个线程访问的同步块场景
|
轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞,提高了程序的响应速度 | 如果始终得不到锁竞争的线程,使用自旋会消耗CPU | 追求响应时间 同步块执行速度非常快 |
重量级锁 | 竞争线程不使用自旋,不会消耗CPU | 线程阻塞,响应时间慢 | 追求吞吐量 同步块执行速度较长 |
文章来自:java并发编程的艺术