【并发】并发锁机制-深入理解synchronized（二）

news2024/11/24 7:24:31

【并发】并发锁机制-深入理解synchronized（二）

synchronized 高级篇（底层原理）

synchronized是JVM内置锁，基于Monitor机制实现。

这个Monitor就是管程的意思，它可以控制线程，让其陷入等待，或者将其唤醒！

synchronized 依赖底层操作系统的互斥原语Mutex（互斥量），它是一个重量级锁，性能较低。

因为，有使用到操作系统底层的原语Mutex，我们只能通过系统调用来使用它！所以，CPU要从用户态到内核态，它是一个很重的操作！

不过，在JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、自适应自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。

根据一些测试报告，在数据量不是很大的情况下，synchronized的性能大约只比ReentrantLock 差10%-20%！

一、查看synchronized的字节码指令序列

Java虚拟机通过一个同步结构支持方法和方法中的指令序列的同步：monitor

同步方法是通过方法中的access_flags（访问标志位）中设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现。

同步代码块是通过 monitorenter 和 monitorexit 来实现。两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥原语mutex来实现，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切换，对性能有较大影响。

同步方法

private static int counter = 0;

public synchronized static void increment() {
    counter++;
}
public synchronized static void decrement() {
    counter--;
}

这里的synchronized加在方法上面，所以方法内部的指令没有发生变化！仅仅是加了一个标志位！

这边显示的是0x0029，其实是0x0001 + 0x0008 + 0x0020

同步代码块

private static String lock = "";

public static void increment() {
    synchronized (lock) {
        counter++;
    }
}

public static void decrement() {
    synchronized (lock) {
        counter--;
    }
}

这里方法内部的指令发生的改变！

【问】为什么monitorexit指令有2次？

第一个monitorexit指令是同步代码块正常释放锁的一个标志

如果同步代码块中出现Exception或者Error，则会调用第二个monitorexit指令来保证释放锁

二、Monitor（管程/监视器）

Monitor在操作系统中就是管程，而在Java中，我们通常称它为监视器！

管程是指管理共享变量以及对共享变量操作的过程，让它们支持并发。

在Java 1.5之前，Java语言提供的唯一并发语言就是管程，Java 1.5之后提供的SDK并发包也是以管程为基础的！例如：JUC

synchronized关键字和wait()、notify()、notifyAll()这三个方法是Java中实现管程技术的组成部分。

MESA模型

在管程的发展史上，先后出现过三种不同的管程模型——Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。

现在正在广泛使用的是MESA模型，介绍如下：

入口只允许一个线程通过，其余的现在入口等待队列中等待！这样子设计可以解决互斥的问题！

进去之后，里面还提供了条件变量，每个条件变量都对应有一个等待队列！

条件变量和其等待队列的作用是解决线程之间的同步问题！条件队列里面存的东西，可以理解为“被wait()” 的线程。

wait()的正确使用姿势

对于MESA管程来说，有一个编程范式：

while(条件不满足) {
  wait();
}

唤醒的时间和获取到锁继续执行的时间是不一致的，被唤醒的线程再次执行时可能条件又不满足了，所以循环检验条件。MESA模型的wait()方法还有一个超时参数，为了避免线程进入等待队列永久阻塞。

我们可以看看Object类里面的对于 wait() 方法的注解描述：

确实需要将其放在循环里面。

notify() 和 notifyAll() 分别何时使用

满足以下三个条件时，可以使用notify()，其余情况尽量使用notifyAll()：

所有等待线程拥有相同的等待条件；
所有等待线程被唤醒后，执行相同的操作；
只需要唤醒一个线程。

Java语言的内置管程synchronized

Java 参考了 MESA 模型，语言内置的管程（synchronized）对 MESA 模型进行了精简。MESA 模型中，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量。模型如下图所示。

Monitor机制在Java中的实现

java.lang.Object 类定义了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，这些方法的具体实现，依赖于 ObjectMonitor 实现，这是 JVM 内部基于 C++ 实现的一套机制。

ObjectMonitor其主要数据结构如下（hotspot源码ObjectMonitor.hpp）：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL; //对象头  markOop
    _count        = 0;  
    _waiters      = 0,   
    _recursions   = 0;   // 锁的重入次数 
    _object       = NULL;  //存储锁对象
    _owner        = NULL;  // 标识拥有该monitor的线程（当前获取锁的线程） 
    _WaitSet      = NULL;  // 等待线程（调用wait）组成的双向循环链表，_WaitSet是第一个节点
    _WaitSetLock  = 0 ;    
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ; //多线程竞争锁会先存到这个单向链表中 （FILO栈结构）
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //存放在进入或重新进入时被阻塞(blocked)的线程 (也是存竞争锁失败的线程)
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;

图解Java中的Monitor机制

在获取锁时，是将当前线程插入到cxq的头部，而释放锁时，默认策略（QMode=0）是：如果EntryList为空，则将cxq中的元素按原有顺序插入到EntryList，并唤醒第一个线程，也就是当EntryList为空时，是后来的线程先获取锁。_EntryList不为空，直接从_EntryList中唤醒线程。

【思考】synchronized加锁加在对象上，锁对象是如何记录锁状态的？