浅析 synchronized 底层

synchronized 是 Java 的关键字之一,提供一种原子性的内部锁,Java 中的每个对象都可以把它当作一个同步锁使用,这种 Java 内置的使用者看不到的锁为内部所,或叫监视器锁

[TOC]

synchronized 内存语义

进入 synchronized块,即是当前线程会从自己的工作内存中清除 synchronized块中使用到的变量,并从主内存中加载。

退出 synchronized块,即是当前线程将对 synchronized块中使用到的变量作出的修改刷新到主存上。

Monitor

简介

即上述所提到的监视器锁中的监视器(monitor),也会被翻译为管程。在操作系统中,面对多线程操作时,通常会用到 semaphore (信号量)和mutex(互斥)这两个重要的同步原语,但直接操作这两者会非常复杂。为了能够更容易编写正确程序,在二者的基础上,提出了monitor

需要注意,操作系统本身不支持monitormonitor的支持属于编程语言范围,例如 C 语言不支持monitor,而 Java 是支持的。对于不同语言,monitor的实现方式也不一样。

monitor的发展史上,有三种不同的模型:

  • Hasen模型
  • Hoare模型
  • MESA模型

后面提到的 monitor均指 Java 中实现的 monitor

Java 则参考了 MESA 模型进行实现,在 JVM 使用的 HostSpot 模拟机中,monitor是由 C++ 来实现的,主要数据结构如下:

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //monitor进入数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;  //线程的重入次数
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; //标识拥有该monitor的线程
    _WaitSet      = NULL; //等待线程组成的双向循环链表,_WaitSet是第一个节点
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ; //多线程竞争锁进入时的单项链表
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程,会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

使用 synchronized 关键字,通常需要指定一个对象,称作monitor object。HotSpot 会自动创建与该对象关联的monitor对象。

特点

同一时刻,monitor仅支持一个 进程 / 线程进入monitor定义的临界区(达成互斥)。同时,还需要对未能进入临界区的 进程 / 线程 进行管理,例如 阻塞 和 唤醒。monitor作为一个同步工具,能够提供管理 进程 / 线程状态的机制。

如若semaphore (信号量)和mutex(互斥),还需要使用者对上述机制进行实现,而monitor在内部进行了实现,对外提供了更简洁易用的接口。

当线程需要获取锁时,会放入 Entry Set 进行等待。

如果线程得到锁,则称为当前锁的Owner

若获得锁的线程运行时发现需要等待外部条件,则可调用wait方法,进入Wait Set等待。

进入Wait Set的线程会被notify的调用唤醒,重新尝试获取锁变为Owner

image

还需要留意一点时,线程出入临界区时,会分别执行moniterenter/moniterexist系统调用,同时 Java 线程实际上是对操作系统线程的映射。因此在 Java SE1.6 前,使用synchronized会造成线程状态切换(用户态和内核态),增大运行开销。在 Java SE1.6 后,synchronized得到优化,引入了 偏向锁轻量级锁

对象内存模型中的锁标记

在此,需要了解一下 Java 对象的内存模型,Java 的对象构成有三部分:

  • 对象头:包含 Mark Word(标记)、Class Pointer (类信息)
  • 实例数据
  • 对齐填充

其中对象头的 MarkWord 共 32 bit ,包含了锁的状态信息,可见 Mark Word 中包含了四种锁状态:

  • 无锁
  • 偏向锁
  • 轻量级锁
  • 重量级锁

锁会根据竞争条件的不同进行对应上面四种状态,由上至下进行升级,且不能降级。

image

锁升级过程可以参考:https://www.bilibili.com/video/BV1xT4y1A7kA?spm_id_from=333.999.0.0

参考链接

https://blog.csdn.net/TZ845195485/article/details/108099961

https://blog.csdn.net/qq_36934826/article/details/95978700

https://www.cnblogs.com/wade-luffy/p/5969418.html

你可能感兴趣的:(浅析 synchronized 底层)