面试刷题15:synchronized底层是如何实现的？

所有的同步场景都是基于锁。锁在并发编程中发挥重要作用。


我是李福春，我在准备面试，今天的题目是：

synchronized底层是如何实现的？

答： synchronized是在底层的jvm中实现的，即c++写的，synchronized的实现是基于一对monitorenter, monitorexit指令实现的，monitor对象是同步的基本实现单元。


在java6中，monitor依靠操作系统提供的内部互斥锁，需要在用户态空间和内核态空间切换，所以同步操作是一个比较重的操作，开销比较大。


在java7之后，monitor有三种不同的实现，即偏斜锁，轻量级锁，重量级锁。


基于对象头的markword,标记上偏向的线程id, 在没有竞争的条件下，使用的是偏斜锁；
当有多个线程来竞争偏斜锁，基于cas对对象头的markword来进行竞争，如果拿到了，升级为轻量级锁。
没拿到则升级为重量级锁；


锁降级发生在jvm进入安全点检查的时候，对monitor进行降级。

synchronized底层实现

对象头结构：

sharedRuntime.cpp 解释器和编译器的运行时基类。

Handle h_obj(THREAD, obj);
  if (UseBiasedLocking) {
    // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
    ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, lock, true, CHECK);
  } else {
    ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, lock, CHECK);
  }

偏斜锁逻辑代码：

void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock,
                                  bool attempt_rebias, TRAPS) {
  if (UseBiasedLocking) {
    if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
      BiasedLocking::Condition cond = BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);
      if (cond == BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {
        return;
      }
  } else {
      assert(!attempt_rebias, "can not rebias toward VM thread");
      BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
  }
    assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
  }
 
  slow_enter(obj, lock, THREAD);
}

轻量级锁：

void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
  markOop mark = obj->mark();
 if (mark->is_neutral()) {
       // 将目前的Mark Word复制到Displaced Header上
  lock->set_displaced_header(mark);
  // 利用CAS设置对象的Mark Word
    if (mark == obj()->cas_set_mark((markOop) lock, mark)) {
      TEVENT(slow_enter: release stacklock);
      return;
    }
    // 检查存在竞争
  } else if (mark->has_locker() &&
             THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
  // 清除
    lock->set_displaced_header(NULL);
    return;
  }
 
  // 重置Displaced Header
  lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
  ObjectSynchronizer::inflate(THREAD,
                            obj(),
                              inflate_cause_monitor_enter)->enter(THREAD);
}

java体系中的锁

java提供的锁有哪些

再入读写锁：

public class RWSample {
  private final Map m = new TreeMap<>();
  private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
  private final Lock r = rwl.readLock();
  private final Lock w = rwl.writeLock();
  public String get(String key) {
      r.lock();
      System.out.println("读锁锁定！");
      try {
          return m.get(key);
      } finally {
          r.unlock();
      }
  }

  public String put(String key, String entry) {
      w.lock();
  System.out.println("写锁锁定！");
        try {
            return m.put(key, entry);
        } finally {
            w.unlock();
        }
    }
  // …
  }

优化的读写锁：StampedLock
代码如下：
读取之前先通过validate方法判断是否进入写状态，如果没有进入写状态，不用加读锁，避免了开销；
否则增加读锁，保证一致性。

public class StampedSample {
  private final StampedLock sl = new StampedLock();

  void mutate() {
      long stamp = sl.writeLock();
      try {
          write();
      } finally {
          sl.unlockWrite(stamp);
      }
  }

  Data access() {
      long stamp = sl.tryOptimisticRead();
      Data data = read();
      if (!sl.validate(stamp)) {
          stamp = sl.readLock();
          try {
              data = read();
          } finally {
              sl.unlockRead(stamp);
          }
      }
      return data;
  }
  // …
}

小结

本篇先介绍了synchronized的底层实现原理，介绍了java8中引入的3种级别的锁，以及锁升级和降级过程。


然后介绍了java体系中的其它的锁和优化读写锁使用场景。

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