【并发编程】synchornized原理

news2024/9/30 17:26:06

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Monitor概念

Java对象头

普通对象

数组对象

Monitor(锁)

Monitor结构如下：

注意：

原理之synchornized

轻量级锁

锁膨胀（重量级锁）

自旋优化

偏向锁

示例

轻量级锁与偏向锁加锁的对比

偏向状态

一个对象创建时：

撤销-调用对象hashCode

撤销-其他线程使用对象

批量重定向

批量撤销

锁消除

Monitor概念

Java对象头

以32位机的机器为例

普通对象

数组对象

其中Mark Word结构为

Monitor(锁)

Monitor被翻译为监视器或管程

每个Java对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用synchronized给对象上锁(重量级)之后，该对象头的Mark Word中就被设置指向Monitor对象的指针。

Monitor结构如下：

刚开始Monitor中Owner为null
当Thread-2执行synchronized(obj) 就会将Monitor 的所有者Owner设置为Thread-2,Monitor中只能有一个Owner.
在Thread-2上锁的过程中，如果Thread-3,Thread-4也来执行synchronized(obj) 就会进入EntryList BLOCKED阻塞队列
Thread-2执行完同步代码块的内容，然后唤醒EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的锁是非公平的。
图中WaitSet中的Thread-0,Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入WAITING 状态的线程。后面会将wait-notify

注意：

synchronized 必须是进入同一个对象的monitor才有上述的效果
不加synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

原理之synchornized

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的(也就是没有竞争)。那么就可以使用轻量级锁优化

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是synchronized

假设有两个同步块，利用同一个对象加锁。

static final Object obj=new Object();
public static void method1(){
    synchornized(obj){
        //同步块 A
            method2();
    }
}
public static void method2(){
    synchronized(obj){
        //同步块b    
    }
}

创建锁对象，每个线程的栈帧会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word

让锁记录中的Object reference指向锁对象，并尝试使用CAS替换Object的Mark Word，将Mark Word的值存入锁记录

如果CAS替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下：

如果cas失败：
- 如果是其他线程已经持有了该Object的轻量级锁，这时候表面有竞争，进入锁膨胀过程。
- 如果是自己执行了synchronized 锁重入，那么再添加一条Lock Record 作为重入的计数

当退出synchronized 代码块(解锁时) 如果有取值为null 的记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数-1

当退出synchronized 代码块(解锁时)锁记录的值不为null ,这时使用cas将Mark Word的值恢复给对象头

成功：解锁成功

失败: 说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁。进入重量级锁解锁流程

锁膨胀（重量级锁）

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS操作无法成功，这时一种情况就是有其他线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争）,这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

当Thread -1进行轻量级加锁时，Thread-0已经对该对象加了轻量级锁

这时候Thread-1加锁失败，进入锁膨胀流程。

即为Object对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址
然后自己进入Monitor的EntryList BLOCKED

当Thread-0 退出同步代码块时，使用CAS将MarkWord 的值恢复给对象头，失败，这时候会进入重量级解锁流程，按照Monitor地址找到Monitor对象，设置Owner为null, 唤醒EntryList 中的BLOCKED

自旋优化

自选在多核CPU下才有意义

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自选成功(即这时候锁线程已经退出了同步块，释放了锁）)，

这时当前线程就可以避免阻塞。

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时(就自己这个线程),每次重入都需要进行CAS操作。

Java6 引入了偏向锁来进一步优化，只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争，不需要重新CAS,以后只要不发生竞争，这个对象就归线程所有。

示例

static final Object obj=new Object();
public static void m1(){
    synchronized(obj){
        //同步代码块A
        m2();    
    }
}
public static void m2(){
    synchronized(obj){
        //同步代码块B
        m3();    
    }
}
public static void m3(){
    synchronized(obj){
        //同步块C    
    }
}

轻量级锁与偏向锁加锁的对比

偏向状态

回忆一下对象头格式

一个对象创建时：

如果开启了偏向锁，那么对象创建后，markword值为0x05即最后三位为101(表示可以偏向的状态)，这时它的thread epoch age都为0

偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动后立刻生效。如果想要避免延迟，可以加VM参数：xx:BiasedLockingstartupDalay=0来禁止延迟

如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword值为0x01，即后三位为001，这时它的hashcode 、age都为0，第一次用到hashcode时才会赋值。

（调用了hashcode会让偏向状态禁用，让他变为不可偏向的对象）

撤销-调用对象hashCode

调用了对象的hashCode，但偏向锁的对象MarkWord中存储的是线程id,如果调用hashCode会导致偏向锁被撤销

轻量级锁会在锁记录中记录hashCode
重量级锁会在Monitor中纪录hashCode

在调用hashCode后使用偏向锁，记得去掉-xx:UseBiassedLocking

输出

撤销-其他线程使用对象

当有其他线程使用偏向锁时，会偏向锁升级为轻量级锁

批量重定向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时候偏向了线程T1的对象仍有机会重新偏向T2,重偏向会重置对象的ThreadID,

当撤销偏向锁阈值超过20次后，jvm会认为，我是不是偏向错了，于是会在这些对象加锁时重新偏向加锁线程。

详解：

    我们知道，当我们使用synchronized关键字的时候，一个对象a只被一个对象访问的时候，对对象加的锁偏向锁，如果之后出现第二个线程访问a的时候（这里只考虑线程交替执行的情况，不存在竞争），不管线程1是已死亡还是运行状态，此时锁都会升级为轻量锁，并且锁升级过程不可逆。

    但是如果有很多对象，这些对象同属于一个类（假设是类A）被线程1访问并加偏向锁，之后线上2来访问这些对象（不考虑竞争情况），在通过CAS操作把这些锁升级为轻量锁，会是一个很耗时的操作。

JVM对此作了优化：

    当对象数量超过某个阈值时（默认20， jvm启动时加参数-XX:+PrintFlagsFinal可以打印这个阈值），Java会对超过的对象作批量重偏向线程2，此时前20个对象是轻量锁，后面的对象都是偏向锁，且偏向线程2。