synchronized的实现原理和锁升级面试重点

news2024/9/21 20:44:52

1.synchronized的实现原理

        synchronized是Java 中的一个很重要的关键字，主要用来加锁，synchronized所添加的锁有以下几个特点。synchronized的使用方法比较简单，主要可以用来修饰方法和代码块。根据其锁定的对象不同，可以用来定义同步方法和同步代码块。
        方法级的同步是隐式的（同步方法）。同步方法的常量池中会有一个ACC_SYNCHRONIZED标志。当某个线程要访问某个方法的时候，会检查是否有ACC_SYNCHRONIZED，如果有设置，则需要先获得监视器锁，然后开始执行方法，方法执行之后再释放监视器锁。这时如果其他线程来请求执行方法，会因为无法获得监视器锁而被阻断住。值得注意的是，如果在方法执行过程中，发生了异常，并且方法内部并没有处理该异常，那么在异常被抛到方法外面之前监视器锁会被自动释放。
        同步代码块使用monitorenter和monitorexit两个指令实现。可以把执行monitorenter指令理解为加锁，执行monitorexit理解为释放锁。每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为0，当一个线程获得锁（执行 monitorenter）后，该计数器自增变为 1，当同一个线程再次获得该对象的锁的时候，计数器再次自增。当同一个线程释放锁（执行monitorexit指令）的时候，计数器再自减。当计数器为0的时候。锁将被释放，其他线程便可以获得锁。

2.synchronized特性

synchronized是Java中的一个很重要的关键字，主要用来加锁,synchronized具有以下特性：
互斥性
       同一时间点，只有一个线程可以获得锁，获得锁的线程才可以处理被 synchronized 修饰的代码片段。
阻塞性
        只有获得锁的线程才可以执行被synchronized 修饰的代码片段，未获得锁的线程只能阻塞，等待锁释放。
可重入性
        如果一个线程已经获得锁，在锁未释放之前，再次请求锁的时候，是必然可以获得锁的

3.锁的具体表现：

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 Synchonized 括号里配置的对象。

4.monitor（监视锁）

为了解决线程安全的问题，Java提供了同步机制、互斥锁机制，这个机制保证了在同一时刻只一个线程能访问共享资源。
这个机制的保障来源于监视锁Monitor，每个对象都拥有自己的监视锁Monitor。当我们尝试获得对象的锁的时候，其实是对该对象拥有的Monitor 进行操作。

5.synchronized锁的是什么？

无论是给静态方法或者非静态方法，加上synchronized标识，都是锁的对象，synchronized的普通方法，其实锁的是具体调用这个方法的实例对象，而synchronized的静态方法，其实锁的是这个方法锁属于的类对象。

6.synchronized的锁升级过程是怎样的？

6.1为什么要锁升级？

在JDK1.6及之前的版本中，synchronized锁是通过对象内部的一个叫做监视器锁（也称对象锁）来实现的。当一个线程请求对象锁时，如果该对象没有被锁住，线程就会获取锁并继续执行。如果该对象已经被锁住，线程就会进入阻塞状态，直到锁被释放。这种锁的实现方式称为“重量级锁”，因为获取锁和释放锁都需要在操作系统层面上进行线程的阻塞和唤醒，而这些操作会带来很大的开销。
在JDK 1.6之后，synchronized锁的实现发生了一些变化，引入了“偏向锁”、“轻量级锁”和“重量级锁”三种不同的状态，用来适应不同场景下的锁竞争情况。

所以，在Java中，锁的状态分为四种，分别是无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。

6.2 不同锁状态下的对象头中 mark word结构
在Java中，mark word的低两位用于表示锁的状态，分别为“01”（无锁状态）、“01”（偏向锁状态）、“00”（轻量级锁状态)和“10"（重量级锁状态）。但是由于无锁状态和偏向锁都是“01”，
所以在低三位引入偏向锁标记位，用“0“表示无锁，“1“表示偏向。

6.3 偏向锁

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，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程 ID ，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下 Mark Word 中偏向锁的标识是否设置成 1 （表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS 竞争锁；如果设置了，则尝试使用 CAS 将对象头的偏向锁指向当前线程。

触发条件：首次进入synchronized块是自动开启。

6.3.1偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的 Mark Word 要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

6.4 轻量级锁

（1）轻量级加锁

线程在执行同步块之前， JVM 会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中，官方称为 Displaced Mark Word 。然后线程尝试使用CAS将对象头中的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

（2）轻量级锁解锁

轻量级解锁时，会使用原子的 CAS 操作将 Displaced Mark Word 替换回到对象头，如果成

功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

6.5 重量级锁

当轻量级锁的CAS操作失败，即出现了实际的竞争，锁会进一步升级为重量级锁。当锁状态升级到重量级锁状态时，JVM会将该对象的锁变成一个重量级锁，并在对象头中记录指向等待队列的指针。
此时，如果一个线程想要获取该对象的锁，则需要先进入等待队列，等待该锁被释放。当锁被释放时，JVM 会从等待队列中选择一个线程唤醒，并将该线程的状态设置为“就绪”状态，然后等待该线程重新获取该对象的锁。
触发条件：当轻量级锁的CAS操作失败，轻量级锁升级为重量级锁。