Java Synchronized实现原理

之前一篇文章介绍了Synchronized的用法,本篇从实现原理上更进一步了解下。

查看带有Synchronized语句块的class文件可以看到在同步代码块的起始位置插入了moniterenter指令,在同步代码块结束的位置插入了monitorexit指令。(JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应,但每个monitorexit不一定都有一个monitorenter)
但是查看同步方法的class文件时,同步方法并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成,而被翻译成普通的方法调用和返回指令,只是在其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的:当方法调用时,调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置,如果设置了,执行线程将先获取monitor,获取成功之后才能执行方法体,方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间,其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。 其实本质上没有区别,只是方法的同步是一种隐式的方式来实现,无需通过字节码来完成

moniterenter和moniterexit指令是通过monitor对象实现的。
Synchronized的实现不仅与monitor对象有关,还与另一个东西密切相关,那就是对象头

下面我们就来看下Java对象头和monitor对象与Synchronized的实现有着怎样的关系。

JVM规范中对monitorenter和monitorexit指令的描述如下:
monitorenter :
Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitor associated with objectref, as follows:
• If the entry count of the monitor associated with objectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The thread is then the owner of the monitor.
• If the thread already owns the monitor associated with objectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count.
• If another thread already owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor’s entry count is zero, then tries again to gain ownership.

这段话的大概意思为:
每个对象都有一个监视器锁(monitor)与之对应。当monitor被占用时就会处于锁定状态,线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权,过程如下:
1、如果monitor的进入数为0,则该线程进入monitor,然后将进入数设置为1,该线程即为monitor的所有者。
2、如果线程已经占有该monitor,只是重新进入,则进入monitor的进入数加1.
3.如果其他线程已经占用了monitor,则该线程进入阻塞状态,直到monitor的进入数为0,再重新尝试获取monitor的所有权。

monitorexit: 
The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated with the instance referenced by objectref.
The thread decrements the entry count of the monitor associated with objectref. If as a result the value of the entry count is zero, the thread exits the monitor and is no longer its owner. Other threads that are blocking to enter the monitor are allowed to attempt to do so.

这段话的大概意思为:
执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。
指令执行时,monitor的进入数减1,如果减1后进入数为0,那线程退出monitor,不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个monitor的所有权。

  • 通过这两个指令我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理,Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成,其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象,这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法,否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

Java对象头

下面重点说下java对象头。

众所周知Java中万物皆对象,那对象在内存中是怎么存储的呢?

每个对象分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充

  • 对象头包含两部分,第一部分是Mark Word,用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等,这一部分占一个字节。第二部分是Klass Pointer(类型指针),是对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例,这部分也占一个字节。(如果对象是数组类型的,则需要3个字节来存储对象头,因为还需要一个字节存储数组的长度)
  • 实例数据存放的是类属性数据信息,包括父类的属性信息,如果是数组的实例部分还包括数组的长度,这部分内存按4字节对齐
  • 填充数据是因为虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的,仅仅是为了字节对齐。

对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本,考虑到虚拟机的空间效率,Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息,它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机 中对象未被锁定的状态下,Mark Word的32个Bits空间中的25Bits用于存储对象哈希码(HashCode),4Bits用于存储对象分代年龄,2Bits用于存储锁标志 位,1Bit固定为0,在其他状态(轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向)下对象的存储内容如下表所示。
对象头存储结构

Synchronized通常被称为重量级锁,但是1.6之后对其进行优化,新增了轻量级锁和偏向锁,这里重点说下重量级锁,随后对Synchronized的优化简单介绍下。

从对象头的存储内容可以看出锁的状态都保存在对象头中,Synchronized也不例外,当其从轻量级锁膨胀为重量级锁时,锁标识位为10,其中指针指向的是monitor对象(也称为管程或监视器锁)的起始地址。

关于Synchronized的实现在java对象头里较为简单,只是改变一下标识位,并将指针指向monitor对象的起始地址,其实现的重点是monitor对象。
下面介绍下monitor对象。

Monitor对象

什么是Monitor?我们可以把它理解为一个同步工具,也可以描述为一种同步机制,它通常被描述为一个对象。
在Java虚拟机(HotSpot)中,monitor是由ObjectMonitor实现的,其主要数据结构如下(位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件,C++实现的)
ObjectMonitor中有几个关键属性,

  • _count用来记录该线程获取锁的次数
  • _WaitSet存放处于wait状态的线程队列
  • _EntryList存放处于等待获取锁block状态的线程队列,即被阻塞的线程
  • _owner指向持有ObjectMonitor对象的线程

当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入_EntryList队列中,当某个线程获取到对象的monitor后进入_Owner区域并把monitor中的_owner变量设置为当前线程,同时monitor中的计数器_count加1,若线程调用wait()方法,将释放当前持有的monitor,_owner变量恢复为null,_count自减1,同时该线程进入_WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值,以便其他线程进入获取monitor(锁)。如下图所示
Monitor锁对象状态转换

Synchronized优化

早期,Synchronized属于重量级锁,效率低下,因为监视器锁(monitor)是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的,而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,这也是为什么早期的synchronized效率低的原因。庆幸的是在Java 6之后Java官方对从JVM层面对synchronized较大优化,所以现在的synchronized锁效率也优化得很不错了,Java 6之后,为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗,引入了偏向锁、轻量级锁和自旋锁等概念,接下来我们将简单了解一下Java官方在JVM层面对Synchronized锁的优化。

偏向锁

引入偏向锁的主要原因是,经过研究发现,在大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁
引入的主要目的是,为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径。因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令,而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令(由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁,所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的CAS原子指令的性能消耗)。
偏向锁的核心思想是,如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式,此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构,当这个线程再次请求锁时,无需再做任何同步操作,即获取锁的过程,这样就省去了大量有关锁申请的操作,从而也就提升程序的性能。所以,对于没有锁竞争的场合,偏向锁有很好的优化效果,毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。
但是对于锁竞争比较激烈的场合,偏向锁就失效了,因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的,因此这种场合下不应该使用偏向锁,否则会得不偿失,需要注意的是,偏向锁失败后,并不会立即膨胀为重量级锁,而是先升级为轻量级锁。

其执行流程为:
获取锁

  1. 检测Mark Word是否为可偏向状态,即是否为偏向锁1,锁标识位为01;
  2. 若为可偏向状态,则测试线程ID是否为当前线程ID,如果是,则执行步骤(5),否则执行步骤(3);
  3. 如果线程ID不为当前线程ID,则通过CAS操作竞争锁,竞争成功,则将Mark Word的线程ID替换为当前线程ID,否则执行线程(4);
  4. 通过CAS竞争锁失败,证明当前存在多线程竞争情况,当到达全局安全点,获得偏向锁的线程被挂起,偏向锁升级为轻量级锁,然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码块;
  5. 执行同步代码块

释放锁
偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制,线程是不会主动去释放偏向锁,需要等待其他线程来竞争。偏向锁的撤销需要等待全局安全点(这个时间点是上没有正在执行的代码)。其步骤如下:

  1. 暂停拥有偏向锁的线程,判断锁对象石是否还处于被锁定状态;
  2. 撤销偏向苏,恢复到无锁状态(01)或者轻量级锁的状态;

那么轻量级锁和偏向锁的使用场景为
轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能,而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。

轻量级锁

引入轻量级锁的主要原因是,对绝大部分的锁,在整个同步周期内都不存在竞争,可能是交替获取锁然后执行。(与偏向锁的区别是,引入偏向锁是假设同一个锁都是由同一线程多次获得,而轻量级锁是假设同一个锁是由n个线程交替获得;相同点是都是假设不存在多线程竞争)
引入轻量级锁的主要目的是,在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗(多指时间消耗)
触发轻量级锁的条件是当关闭偏向锁功能或者多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁,则会尝试获取轻量级锁,此时Mark Word的结构也变为轻量级锁的结构。如果存在多个线程同一时间访问同一锁的场合,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁

其步骤如下:
获取锁

  1. 判断当前对象是否处于无锁状态(hashcode、0、01),若是,则JVM首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间,用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝(官方把这份拷贝加了一个Displaced前缀,即Displaced Mark Word);否则执行步骤(3);
  2. JVM利用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针,如果成功表示竞争到锁,则将锁标志位变成00(表示此对象处于轻量级锁状态),执行同步操作;如果失败则执行步骤(3);
  3. 判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧,如果是则表示当前线程已经持有当前对象的锁,则直接执行同步代码块;否则只能说明该锁对象已经被其他线程抢占了,这时轻量级锁需要膨胀为重量级锁,锁标志位变成10,后面等待的线程将会进入阻塞状态;

释放锁
轻量级锁的释放也是通过CAS操作来进行的,主要步骤如下:

  1. 取出在获取轻量级锁保存在Displaced Mark Word中的数据;
  2. 用CAS操作将取出的数据替换当前对象的Mark Word中,如果成功,则说明释放锁成功,否则执行(3);
  3. 如果CAS操作替换失败,说明有其他线程尝试获取该锁,则需要在释放锁的同时需要唤醒被挂起的线程。

自旋锁

线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态,频繁的阻塞和唤醒对CPU来说是一件负担很重的工作,势必会给系统的并发性能带来很大的压力。同时我们发现在许多应用上面,对象锁的锁状态只会持续很短一段时间,为了这一段很短的时间频繁地阻塞和唤醒线程是非常不值得的。所以引入自旋锁。
何谓自旋锁?
所谓自旋锁,就是让该线程等待一段时间,不会被立即挂起,看持有锁的线程是否会很快释放锁。怎么等待呢?执行一段无意义的循环即可(自旋)
自旋等待不能替代阻塞,虽然它可以避免线程切换带来的开销,但是它占用了处理器的时间。如果持有锁的线程很快就释放了锁,那么自旋的效率就非常好,反之,自旋的线程就会白白消耗掉处理的资源,它不会做任何有意义的工作,这样反而会带来性能上的浪费。所以说,自旋等待的时间(自旋的次数)必须要有一个限度,如果自旋超过了定义的时间仍然没有获取到锁,则应该被挂起。
自旋锁在JDK 1.4.2中引入,默认关闭,但是可以使用-XX:+UseSpinning开开启,在JDK1.6中默认开启。同时自旋的默认次数为10次,可以通过参数-XX:PreBlockSpin来调整;
如果通过参数-XX:preBlockSpin来调整自旋锁的自旋次数,会带来诸多不便。假如我将参数调整为10,但是很多线程都是等你刚刚退出自旋的时候就释放了锁(假如你再多自旋一两次就可以获取锁),你是不是很尴尬。于是JDK1.6引入自适应的自旋锁,让虚拟机会变得越来越聪明。

JDK 1.6引入了更加聪明的自旋锁,即自适应自旋锁。所谓自适应就意味着自旋的次数不再是固定的,它是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。它怎么做呢?线程如果自旋成功了,那么下次自旋的次数会更加多,因为虚拟机认为既然上次成功了,那么此次自旋也很有可能会再次成功,那么它就会允许自旋等待持续的次数更多。反之,如果对于某个锁,很少有自旋能够成功的,那么在以后要或者这个锁的时候自旋的次数会减少甚至省略掉自旋过程,以免浪费处理器资源

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。如果自旋之后依然没有获取到锁,也就只能升级为重量级锁了。

参考

http://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483
http://blog.csdn.net/chenssy/article/details/54883355

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