浅谈synchronized底层原理

如果某一个资源被多个线程共享,为了避免因为资源抢占导致资源数据错乱,我们需要对线程进行同步,那么synchronized就是实现线程同步的关键字

一、synchronized的特性

1.1 原子性

所谓原子性就是指一个操作或者多个操作,要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。

被synchronized修饰的类或对象的所有操作都是原子的,因为在执行操作之前必须先获得类或对象的锁,直到执行完才能释放,这中间的过程无法被中断(除了已经废弃的stop()方法),即保证了原子性。

注意!面试时经常会问比较synchronized和volatile,它们俩特性上最大的区别就在于原子性,volatile不具备原子性。

1.2 可见性

可见性是指多个线程访问一个资源时,该资源的状态、值信息等对于其他线程都是可见的。

synchronized和volatile都具有可见性,其中synchronized对一个类或对象加锁时,一个线程如果要访问该类或对象必须先获得它的锁,而这个锁的状态对于其他任何线程都是可见的,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中,保证资源变量的可见性,如果某个线程占用了该锁,其他线程就必须在锁池中等待锁的释放。

1.3 有序性

有序性值程序执行的顺序按照代码先后执行。

synchronized和volatile都具有有序性,Java允许编译器和处理器对指令进行重排,但是指令重排并不会影响单线程的顺序,它影响的是多线程并发执行的顺序性。synchronized保证了每个时刻都只有一个线程访问同步代码块,也就确定了线程执行同步代码块是分先后顺序的,保证了有序性。

1.4 可重入性

synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时,将会处于阻塞状态,但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时,这种情况属于重入锁。通俗一点讲就是说一个线程拥有了锁仍然还可以重复申请锁。

二、synchronized的用法

synchronized可以修饰静态方法、成员函数,同时还可以直接定义代码块,但是归根结底它上锁的资源只有两类:一个是对象,一个是

先看下下面的代码

    private static Integer i = 0;
    // 1 普通成员方法
    private synchronized void add(){
        i++;
    }

    // 2 静态方法
    private static synchronized void add1(){
        i++;
    }

    // 3 代码块对类对象加锁
    public void add2(){
        synchronized(TestThread.class){
        }
    }

    // 4 代码块在对象上加锁
    public void add3(){
        synchronized(i){
        }
    }

代码实现上主要就是四种,但是锁资源就两种。

 

实现方式 普通成员方法 静态方法 类对象 对象
加锁类型 对象加锁 类加锁 类加锁 对象加锁

 

三、synchronized锁的实现

synchronized有两种形式上锁,一个是对方法上锁,一个是构造同步代码块

他们的底层实现其实都一样,在进入同步代码之前先获取锁,获取到锁之后锁的计数器+1,同步代码执行完锁的计数器-1,如果获取失败就阻塞式等待锁的释放。只是他们在同步块识别方式上有所不一样,从class字节码文件可以表现出来,

一个是通过方法flags标志,一个是monitorenter和monitorexit指令操作

锁实现
实现类型 实现机制 说明
同步方法 add方法的flags里面多了一个ACC_SYNCHRONIZED标志 标志用来告诉JVM这是一个同步方法,在进入该方法之前先获取相应的锁,锁的计数器加1,方法结束后计数器-1,如果获取失败就阻塞住,知道该锁被释放
同步代码块 同步块是由monitorenter指令进入,然后monitorexit释放锁 在执行monitorenter之前需要尝试获取锁,如果这个对象没有被锁定,或者当前线程已经拥有了这个对象的锁,那么就把锁的计数器加1。当执行monitorexit指令时,锁的计数器也会减1。当获取锁失败时会被阻塞,一直等待锁被释放

 

四、synchronized锁的底层实现

我们先看下对象的组成

浅谈synchronized底层原理_第1张图片

在 JVM 中,对象在内存中分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充

对象头是我们需要关注的重点,它是synchronized实现锁的基础,因为synchronized申请锁、上锁、释放锁都与对象头有关,他会关联到一个monitor对象。monitor监视器源码是C++写的,在虚拟机的ObjectMonitor.hpp文件中。

monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成,但当一个monitor被某个线程持有后,它便处于锁定状态。

五、JVM对synchronized的优化

从最近几个jdk版本中可以看出,Java的开发团队一直在对synchronized优化,其中最大的一次优化就是在jdk6的时候,新增了两个锁状态,通过锁消除、锁粗化、自旋锁等方法使用各种场景,给synchronized性能带来了很大的提升。

5.1 锁膨胀

上面讲到锁有四种状态,并且会因实际情况进行膨胀升级,其膨胀方向是:无锁——>偏向锁——>轻量级锁——>重量级锁,并且膨胀方向不可逆。

5.1.1 偏向锁

一句话总结它的作用:减少统一线程获取锁的代价。在大多数情况下,锁不存在多线程竞争,总是由同一线程多次获得,那么此时就是偏向锁。

核心思想:

如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式,此时Mark Word的结构也就变为偏向锁结构,当该线程再次请求锁时,无需再做任何同步操作,即获取锁的过程只需要检查Mark Word的锁标记位为偏向锁以及当前线程ID等于Mark Word的ThreadID即可,这样就省去了大量有关锁申请的操作。

5.1.2 轻量级锁

轻量级锁是由偏向锁升级而来,当存在第二个线程申请同一个锁对象时,偏向锁就会立即升级为轻量级锁。注意这里的第二个线程只是申请锁,不存在两个线程同时竞争锁,可以是一前一后地交替执行同步块。

5.1.3 重量级锁

重量级锁是由轻量级锁升级而来,当同一时间有多个线程竞争锁时,锁就会被升级成重量级锁,此时其申请锁带来的开销也就变大。

重量级锁一般使用场景会在追求吞吐量,同步块或者同步方法执行时间较长的场景。

5.2 锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化,这种优化更彻底,在JIT编译时,对运行上下文进行扫描,去除不可能存在竞争的锁。

5.3 锁粗化

锁粗化是虚拟机对另一种极端情况的优化处理,通过扩大锁的范围,避免反复加锁和释放锁。

5.4 自旋锁与自适应自旋锁

轻量级锁失败后,虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起,还会进行一项称为自旋锁的优化手段。

自旋锁:许多情况下,共享数据的锁定状态持续时间较短,切换线程不值得,通过让线程执行循环等待锁的释放,不让出CPU。如果得到锁,就顺利进入临界区。如果还不能获得锁,那就会将线程在操作系统层面挂起,这就是自旋锁的优化方式。但是它也存在缺点:如果锁被其他线程长时间占用,一直不释放CPU,会带来许多的性能开销。

自适应自旋锁:这种相当于是对上面自旋锁优化方式的进一步优化,它的自旋的次数不再固定,其自旋的次数由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定,这就解决了自旋锁带来的缺点。

 

 

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