Java之Synchronized与锁升级

news2024/9/30 3:29:36

Synchronized与锁升级

一、概述

在多线程并发编程中 synchronized 一直是元老级角色，很多人都会称呼它为重量级锁。但是，随着 Java SE 1.6 对 synchronized 进行了各种优化之后，有些情况下它就并不那么重了。

本文详细介绍 Java SE 1.6 中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁，以及锁的存储结构和升级过程。

二、实现同步的基础

Java 中的每个对象都可以作为锁，具体变现为以下3中形式：

对于普通同步方法，锁是当前实例对象
对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象
对于同步方法块，锁是 synchronized 括号里配置的对象

一个线程试图访问同步代码块时，必须获取锁，在退出或者抛出异常时，必须释放锁。

三、实现方式

JVM 基于进入和退出 Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步，但是两者的实现细节不一样。

代码块同步：通过使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的
同步方法：ACC_SYNCHRONIZED 修饰

monitorenter 指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而 monitorexit 指令是在编译后插入到同步代码块的结束处或异常处，对于同步方法，个人觉得也是类似的原理，进入方法前添加一个 monitorenter 指令，退出方法后条件一个 monitorexit 指令。

为了证明 JVM 的实现方式，下面通过反编译代码来证明：

public class Demo {

    public void f1() {
        synchronized (Demo.class) {
            System.out.println("Hello World.");
        }
    }

    public synchronized void f2() {
        System.out.println("Hello World.");
    }

}

编译之后的字节码如下(只摘取了方法的字节码):

public void f1();
  descriptor: ()V
  flags: ACC_PUBLIC
  Code:
    stack=2, locals=3, args_size=1
       0: ldc           #2                  // class me/snail/base/Demo
       2: dup
       3: astore_1
       4: monitorenter
       5: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       8: ldc           #4                  // String Hello World.
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      13: aload_1
      14: monitorexit
      15: goto          23
      18: astore_2
      19: aload_1
      20: monitorexit
      21: aload_2
      22: athrow
      23: return
    Exception table:
       from    to  target type
           5    15    18   any
          18    21    18   any
    LineNumberTable:
      line 6: 0
      line 7: 5
      line 8: 13
      line 9: 23
    StackMapTable: number_of_entries = 2
      frame_type = 255 /* full_frame */
        offset_delta = 18
        locals = [ class me/snail/base/Demo, class java/lang/Object ]
        stack = [ class java/lang/Throwable ]
      frame_type = 250 /* chop */
        offset_delta = 4

public synchronized void f2();
  descriptor: ()V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
  Code:
    stack=2, locals=1, args_size=1
       0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #4                  // String Hello World.
       5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
    LineNumberTable:
      line 12: 0
      line 13: 8

先说 f1() 方法，发现其中一个 monitorenter 对应了两个 monitorexit，这是不对的。但是仔细看 #15: goto 语句，直接跳转到了 #23: return 处，再看 #22: athrow 语句发现，原来第二个 monitorexit 是保证同步代码块抛出异常时锁能得到正确的释放而存在的，这就理解了。

综上：发现同步代码块是通过 monitorenter 和 monitorexit 来实现的，同步方法是加了一个 ACC_SYNCHRONIZED 修饰来实现的。

四、优化后synchronized锁的分类

级别从低到高依次是：

无锁状态
偏向锁状态
轻量级锁状态
重量级锁状态

锁可以升级，但不能降级。即：无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁是单向的。

下面看一下每个锁状态时，对象头中的 MarkWord 这一个字节中的内容是什么。

以32位系统为例：

1、无锁状态

25bit	4bit	1bit(是否是偏向锁)	2bit(锁标志位)
对象的hashCode	对象分代年龄	0	01

这里的 hashCode 是 Object#hashCode 或者 System#identityHashCode 计算出来的值，不是用户覆盖产生的 hashCode。

2、偏向锁状态

偏向锁：单线程竞争，当线程A第一次竞争到锁时，通过修改MarkWord中的偏向线程ID、偏向模式。如果不存在其他线程竞争，那么持有偏向锁的线程将永远不需要进行同步。
主要作用：
● 当一段同步代码一直被同一个线程多次访问，由于只有一个线程那么该线程在后续访问时便会自动获得锁
● 同一个老顾客来访，直接老规矩行方便
结论：
● HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下：在多线程情况下，锁不仅不存在多线程竞争，还存在由同一个线程多次获得的情况，偏向锁就是在这种情况下出现的，它的出现是为了解决只有一个线程执行同步时提高性能。
● 偏向锁会偏向于第一个访问锁的线程，如果在接下来的运行过程中，该锁没有被其他线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不需要出发同步。也即偏向锁在资源在没有竞争情况下消除了同步语句，懒得连CAS操作都不做了，直接提高程序性能。

理论落地：

技术实现：

偏向锁JVM命令：

偏向锁的撤销：
● 当有另外一个线程逐步来竞争锁的时候，就不能再使用偏向锁了，要升级为轻量级锁，使用的是等到竞争出现才释放锁的机制
● 竞争线程尝试CAS更新对象头失败，会等到全局安全点（此时不会执行任何代码）撤销偏向锁，同时检查持有偏向锁的线程是否还在执行：
○ 第一个线程正在执行Synchronized方法（处于同步块），它还没有执行完，其他线程来抢夺，该偏向锁会被取消掉并出现锁升级，此时轻量级锁由原来持有偏向锁的线程持有，继续执行同步代码块，而正在竞争的线程会自动进入自旋等待获得该轻量级锁
○ 第一个线程执行完Synchronized（退出同步块），则将对象头设置为无所状态并撤销偏向锁，重新偏向。