Java同步关键字synchronize底层实现原理解析

目录

• 1 字节码层实现
• 1.1 InterpreterRuntime::monitorenter
• 1.1.1 函数参数 JavaThread *thread
  
• 1.1.2 函数体
•  2 偏向锁
•  2.1 偏向锁的意义
• 2.2 偏向锁的获取
• 2.2.1 markOop mark = obj->mark()
• 2.2.2 判断mark是否为可偏向状态
• 2.2.3 判断mark中JavaThread的状态
• 2.2.4 通过CAS原子指令
• 2.2.5 如果执行CAS失败
• 2.3 偏向锁的撤销
• 2.4 轻量级锁
• 2.4.1 引入轻量级锁的目的
• 2.4.2 轻量级锁的获取
• 总结

1 字节码层实现

javap 生成的字节码中包含如下指令：

• monitorenter
• monitorexit

synchronized基此实现了简单直接的锁的获取和释放。

当JVM的解释器执行monitorenter时会进入到
InterpreterRuntime.cpp的

1.1 InterpreterRuntime::monitorenter

1.1.1 函数参数 JavaThread *thread

封装 Java线程 帧状态的与机器/操作系统相关的部分的对象，这里传参代表程序中的当前线程BasicObjectLock *elem

BasicLock 类型的 _lock 对象主要用来保存 _obj 对象的对象头数据：

 

1.1.2 函数体

UseBiasedLocking 标识JVM是否开启偏向锁功能

• 如果开启则执行fast_enter逻辑
• 否则执行slow_enter

 2 偏向锁

 2.1 偏向锁的意义

无多线程竞争时，尽量减少不必要的轻量级锁执行路径。

轻量级锁的获取及释放依赖多次的CAS操作，而偏向锁只依赖一次CAS置换ThreadID。

当存在高度的锁竞争和低数据竞争时，RTM 锁最有用。
高锁争用情况下，锁通常会膨胀，而偏向锁不适于这种情况。
RTM 锁代码要求关闭偏向锁。

注意：我们不能在 get_processor_features() 中关闭 UseBiasedLocking，因为它被 Thread::allocate() 使用，它在 VM_Version::initialize() 之前调用。

if (UseRTMLocking && UseBiasedLocking) {
  if (FLAG_IS_DEFAULT(UseBiasedLocking)) {
    FLAG_SET_DEFAULT(UseBiasedLocking, false);
  } else {
    warning("Biased locking is not supported with RTM locking; ignoring UseBiasedLocking flag." );
    UseBiasedLocking = false;
  }
}

一旦出现多个线程竞争时必须撤销偏向锁，所以：

撤销偏向锁消耗的性能必须 ＜ 之前节省下来的CAS原子操作的性能消耗

不然得不偿失!

JDK 6中默认开启偏向锁，可以通过-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向锁。

• 偏向锁的入口位于synchronizer.cpp文件的ObjectSynchronizer::fast_enter函数
  

 

2.2 偏向锁的获取

由BiasedLocking::revoke_and_rebias方法实现

2.2.1 markOop mark = obj->mark()

获取对象的markOop数据mark，即对象头的Mark Word

2.2.2 判断mark是否为可偏向状态

•  mark的偏向锁标志位为 1 锁标志位为 01

2.2.3 判断mark中JavaThread的状态

如果为空，则进入步骤（4）；如果指向当前线程，则执行同步代码块；如果指向其它线程，进入步骤（5）；

2.2.4 通过CAS原子指令

设置mark中JavaThread为当前线程ID，如果执行CAS成功，则执行同步代码块，否则进入步骤（5）；

2.2.5 如果执行CAS失败

表示当前存在多个线程竞争锁，当达到全局安全点（safepoint），获得偏向锁的线程被挂起，撤销偏向锁，并升级为轻量级，升级完成后被阻塞在安全点的线程继续执行同步代码块；

2.3 偏向锁的撤销

只有当其它线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，偏向锁的撤销由BiasedLocking::revoke_at_safepoint方法实现：

1、偏向锁的撤销动作必须等待全局安全点；
2、暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态；
3、撤销偏向锁，恢复到无锁（标志位为 01）或轻量级锁（标志位为 00）的状态；

偏向锁在Java 1.6之后是默认启用的，但在应用程序启动几秒钟之后才激活，可以使用
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
参数关闭延迟，如果确定应用程序中所有锁通常情况下处于竞争状态，可以通过
XX:-UseBiasedLocking=false
参数关闭偏向锁。

2.4 轻量级锁

2.4.1 引入轻量级锁的目的

在多线程交替执行同步块的情况下，尽量避免重量级锁引起的性能消耗，但是如果多个线程在同一时刻进入临界区，会导致轻量级锁膨胀升级重量级锁，所以轻量级锁的出现并非是要替代重量级锁

2.4.2 轻量级锁的获取

当关闭偏向锁功能，或多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁，会尝试获取轻量级锁，其入口位于ObjectSynchronizer::slow_enter

1、markOop mark = obj->mark()方法获取对象的markOop数据mark；
2、mark->is_neutral()方法判断mark是否为无锁状态：mark的偏向锁标志位为 0，锁标志位为 01；
3、如果mark处于无锁状态，则进入步骤（4），否则执行步骤（6）；
4、把mark保存到BasicLock对象的_displaced_header字段；
5、通过CAS尝试将Mark Word更新为指向BasicLock对象的指针，如果更新成功，表示竞争到锁，则执行同步代码，否则执行步骤（6）；
6、如果当前mark处于加锁状态，且mark中的ptr指针指向当前线程的栈帧，则执行同步代码，否则说明有多个线程竞争轻量级锁，轻量级锁需要膨胀升级为重量级锁；

假设线程A和B同时执行到临界区if (mark->is_neutral())：
1、线程AB都把Mark Word复制到各自的_displaced_header字段，该数据保存在线程的栈帧上，是线程私有的；
2、Atomic::cmpxchg_ptr原子操作保证只有一个线程可以把指向栈帧的指针复制到Mark Word，假设此时线程A执行成功，并返回继续执行同步代码块；
3、线程B执行失败，退出临界区，通过ObjectSynchronizer::inflate方法开始膨胀锁；

轻量级锁的释放

轻量级锁的释放通过ObjectSynchronizer::fast_exit完成。

1、确保处于偏向锁状态时不会执行这段逻辑；
2、取出在获取轻量级锁时保存在BasicLock对象的mark数据dhw；
3、通过CAS尝试把dhw替换到当前的Mark Word，如果CAS成功，说明成功的释放了锁，否则执行步骤（4）；
4、如果CAS失败，说明有其它线程在尝试获取该锁，这时需要将该锁升级为重量级锁，并释放；

重量级锁

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高。

锁膨胀过程

锁的膨胀过程通过ObjectSynchronizer::inflate函数实现

膨胀过程的实现比较复杂，截图中只是一小部分逻辑，完整的方法可以查看synchronized.cpp，大概实现过程如下：
1、整个膨胀过程在自旋下完成；
2、mark->has_monitor()方法判断当前是否为重量级锁，即Mark Word的锁标识位为 10，如果当前状态为重量级锁，执行步骤（3），否则执行步骤（4）；
3、mark->monitor()方法获取指向ObjectMonitor的指针，并返回，说明膨胀过程已经完成；
4、如果当前锁处于膨胀中，说明该锁正在被其它线程执行膨胀操作，则当前线程就进行自旋等待锁膨胀完成，这里需要注意一点，虽然是自旋操作，但不会一直占用cpu资源，每隔一段时间会通过os::NakedYield方法放弃cpu资源，或通过park方法挂起；如果其他线程完成锁的膨胀操作，则退出自旋并返回；
5、如果当前是轻量级锁状态，即锁标识位为 00，膨胀过程如下：

1、通过omAlloc方法，获取一个可用的ObjectMonitor monitor，并重置monitor数据；
2、通过CAS尝试将Mark Word设置为markOopDesc:INFLATING，标识当前锁正在膨胀中，如果CAS失败，说明同一时刻其它线程已经将Mark Word设置为markOopDesc:INFLATING，当前线程进行自旋等待膨胀完成；
3、如果CAS成功，设置monitor的各个字段：_header、_owner和_object等，并返回；

monitor竞争

当锁膨胀完成并返回对应的monitor时，并不表示该线程竞争到了锁，真正的锁竞争发生在ObjectMonitor::enter方法中。

1、通过CAS尝试把monitor的_owner字段设置为当前线程；
2、如果设置之前的_owner指向当前线程，说明当前线程再次进入monitor，即重入锁，执行_recursions ++ ，记录重入的次数；
3、如果之前的_owner指向的地址在当前线程中，这种描述有点拗口，换一种说法：之前_owner指向的BasicLock在当前线程栈上，说明当前线程是第一次进入该monitor，设置_recursions为1，_owner为当前线程，该线程成功获得锁并返回；
4、如果获取锁失败，则等待锁的释放；

monitor等待

monitor竞争失败的线程，通过自旋执行ObjectMonitor::EnterI方法等待锁的释放，EnterI方法的部分逻辑实现如下：

1、当前线程被封装成ObjectWaiter对象node，状态设置成ObjectWaiter::TS_CXQ；
2、在for循环中，通过CAS把node节点push到_cxq列表中，同一时刻可能有多个线程把自己的node节点push到_cxq列表中；
3、node节点push到_cxq列表之后，通过自旋尝试获取锁，如果还是没有获取到锁，则通过park将当前线程挂起，等待被唤醒，实现如下：

4、当该线程被唤醒时，会从挂起的点继续执行，通过ObjectMonitor::TryLock尝试获取锁，TryLock方法实现如下：

其本质就是通过CAS设置monitor的_owner字段为当前线程，如果CAS成功，则表示该线程获取了锁，跳出自旋操作，执行同步代码，否则继续被挂起；

monitor释放

当某个持有锁的线程执行完同步代码块时，会进行锁的释放，给其它线程机会执行同步代码，在HotSpot中，通过退出monitor的方式实现锁的释放，并通知被阻塞的线程，具体实现位于ObjectMonitor::exit方法中。

1、如果是重量级锁的释放，monitor中的_owner指向当前线程，即THREAD == _owner；
2、根据不同的策略（由QMode指定），从cxq或EntryList中获取头节点，通过ObjectMonitor::ExitEpilog方法唤醒该节点封装的线程，唤醒操作最终由unpark完成，实现如下：

void ObjectMonitor::ExitEpilog(Thread * Self, ObjectWaiter * Wakee) {
  assert(_owner == Self, "invariant");

  // Exit protocol:
  // 1. ST _succ = wakee
  // 2. membar #loadstore|#storestore;
  // 2. ST _owner = NULL
  // 3. unpark(wakee)

  _succ = Wakee->_thread;
  ParkEvent * Trigger = Wakee->_event;

  // Hygiene -- once we've set _owner = NULL we can't safely dereference Wakee again.
  // The thread associated with Wakee may have grabbed the lock and "Wakee" may be
  // out-of-scope (non-extant).
  Wakee  = NULL;

  // Drop the lock
  OrderAccess::release_store(&_owner, (void*)NULL);
  OrderAccess::fence();                               // ST _owner vs LD in unpark()

  DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__exit, this, object(), Self);
  Trigger->unpark();

  // Maintain stats and report events to JVMTI
  OM_PERFDATA_OP(Parks, inc());
}

3、被唤醒的线程，继续执行monitor的竞争；

总结

到此这篇关于Java同步关键字synchronize底层实现原理解析的文章就介绍到这了,更多相关java synchronize底层实现原理内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！