synchronized 的超多干货!


前言

synchronized 这个关键字的重要性不言而喻,几乎可以说是并发、多线程必须会问到的关键字了。synchronized 会涉及到锁、升级降级操作、锁的撤销、对象头等。所以理解 synchronized 非常重要,本篇文章就带你从 synchronized 的基本用法、再到 synchronized 的深入理解,对象头等,为你揭开 synchronized 的面纱。

浅析 synchronized

synchronized 是 Java 并发模块非常重要的关键字,它是 Java 内建的一种同步机制,代表了某种内在锁定的概念,当一个线程对某个共享资源加锁后,其他想要获取共享资源的线程必须进行等待,synchronized 也具有互斥和排他的语义。

什么是互斥?我们想必小时候都玩儿过磁铁,磁铁会有正负极的概念,同性相斥异性相吸,相斥相当于就是一种互斥的概念,也就是两者互不相容。

synchronized 也是一种独占的关键字,但是它这种独占的语义更多的是为了增加线程安全性,通过独占某个资源以达到互斥、排他的目的。

在了解了排他和互斥的语义后,我们先来看一下 synchronized 的用法,先来了解用法,再来了解底层实现。

synchronized 的使用

关于 synchronized 想必你应该都大致了解过

  • synchronized 修饰实例方法,相当于是对类的实例进行加锁,进入同步代码前需要获得当前实例的锁
  • synchronized 修饰静态方法,相当于是对类对象进行加锁
  • synchronized 修饰代码块,相当于是给对象进行加锁,在进入代码块前需要先获得对象的锁

下面我们针对每个用法进行解释

synchronized 修饰实例方法

synchronized 修饰实例方法,实例方法是属于类的实例。synchronized 修饰的实例方法相当于是对象锁。下面是一个 synchronized 修饰实例方法的例子。

public synchronized void method()
{
   // ...
}

像如上述 synchronized 修饰的方法就是实例方法,下面我们通过一个完整的例子来认识一下 synchronized 修饰实例方法

public class TSynchronized implements Runnable{

    static int i = 0;

    public synchronized void increase(){
        i++;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }


    @Override
    public void run() {
        for(int i = 0;i < 1000;i++) {
            increase();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        TSynchronized tSynchronized = new TSynchronized();
        Thread aThread = new Thread(tSynchronized);
        Thread bThread = new Thread(tSynchronized);
        aThread.start();
        bThread.start();
        aThread.join();
        bThread.join();
        System.out.println("i = " + i);
    }
}

上面输出的结果 i = 2000 ,并且每次都会打印当前现成的名字

来解释一下上面代码,代码中的 i 是一个静态变量,静态变量也是全局变量,静态变量存储在方法区中。increase 方法由 synchronized 关键字修饰,但是没有使用 static 关键字修饰,表示 increase 方法是一个实例方法,每次创建一个 TSynchronized 类的同时都会创建一个 increase 方法,increase 方法中只是打印出来了当前访问的线程名称。Synchronized 类实现了 Runnable 接口,重写了 run 方法,run 方法里面就是一个 0 - 1000 的计数器,这个没什么好说的。在 main 方法中,new 出了两个线程,分别是 aThread 和 bThread,Thread.join 表示等待这个线程处理结束。这段代码主要的作用就是判断 synchronized 修饰的方法能够具有独占性。

synchronized 修饰静态方法

synchronized 修饰静态方法就是 synchronized 和 static 关键字一起使用

public static synchronized void increase(){}

当 synchronized 作用于静态方法时,表示的就是当前类的锁,因为静态方法是属于类的,它不属于任何一个实例成员,因此可以通过 class 对象控制并发访问。

这里需要注意一点,因为 synchronized 修饰的实例方法是属于实例对象,而 synchronized 修饰的静态方法是属于类对象,所以调用 synchronized 的实例方法并不会阻止访问 synchronized 的静态方法。

synchronized 修饰代码块

synchronized 除了修饰实例方法和静态方法外,synchronized 还可用于修饰代码块,代码块可以嵌套在方法体的内部使用。

public void run() {
  synchronized(obj){
    for(int j = 0;j < 1000;j++){
      i++;
    }
  }
}

上面代码中将 obj 作为锁对象对其加锁,每次当线程进入 synchronized 修饰的代码块时就会要求当前线程持有obj 实例对象锁,如果当前有其他线程正持有该对象锁,那么新到的线程就必须等待。

synchronized 修饰的代码块,除了可以锁定对象之外,也可以对当前实例对象锁、class 对象锁进行锁定

// 实例对象锁
synchronized(this){
    for(int j = 0;j < 1000;j++){
        i++;
    }
}

//class对象锁
synchronized(TSynchronized.class){
    for(int j = 0;j < 1000;j++){
        i++;
    }
}

synchronized 底层原理

在简单介绍完 synchronized 之后,我们就来聊一下 synchronized 的底层原理了。

我们或许都有所了解(下文会细致分析),synchronized 的代码块是由一组 monitorenter/monitorexit 指令实现的。而Monitor 对象是实现同步的基本单元。

啥是 Monitor 对象呢?

Monitor 对象

任何对象都关联了一个管程,管程就是控制对象并发访问的一种机制管程 是一种同步原语,在 Java 中指的就是 synchronized,可以理解为 synchronized 就是 Java 中对管程的实现。

管程提供了一种排他访问机制,这种机制也就是 互斥。互斥保证了在每个时间点上,最多只有一个线程会执行同步方法。

所以你理解了 Monitor 对象其实就是使用管程控制同步访问的一种对象。

对象内存布局

hotspot 虚拟机中,对象在内存中的布局分为三块区域:

  • 对象头(Header)
  • 实例数据(Instance Data)
  • 对齐填充(Padding)

这三块区域的内存分布如下图所示

我们来详细介绍一下上面对象中的内容。

对象头 Header

对象头 Header 主要包含 MarkWord 和对象指针 Klass Pointer,如果是数组的话,还要包含数组的长度。

在 32 位的虚拟机中 MarkWord ,Klass Pointer 和数组长度分别占用 32 位,也就是 4 字节。

如果是 64 位虚拟机的话,MarkWord ,Klass Pointer 和数组长度分别占用 64 位,也就是 8 字节。

在 32 位虚拟机和 64 位虚拟机的 Mark Word 所占用的字节大小不一样,32 位虚拟机的 Mark Word 和 Klass Pointer 分别占用 32 bits 的字节,而 64 位虚拟机的 Mark Word 和 Klass Pointer 占用了64 bits 的字节,下面我们以 32 位虚拟机为例,来看一下其 Mark Word 的字节具体是如何分配的。

用中文翻译过来就是

  • 无状态也就是无锁的时候,对象头开辟 25 bit 的空间用来存储对象的 hashcode ,4 bit 用于存放分代年龄,1 bit 用来存放是否偏向锁的标识位,2 bit 用来存放锁标识位为 01。
  • 偏向锁 中划分更细,还是开辟 25 bit 的空间,其中 23 bit 用来存放线程ID,2bit 用来存放 epoch,4bit 存放分代年龄,1 bit 存放是否偏向锁标识, 0 表示无锁,1 表示偏向锁,锁的标识位还是 01。
  • 轻量级锁中直接开辟 30 bit 的空间存放指向栈中锁记录的指针,2bit 存放锁的标志位,其标志位为 00。
  • 重量级锁中和轻量级锁一样,30 bit 的空间用来存放指向重量级锁的指针,2 bit 存放锁的标识位,为 11
  • GC标记开辟 30 bit 的内存空间却没有占用,2 bit 空间存放锁标志位为 11。

其中无锁和偏向锁的锁标志位都是 01,只是在前面的 1 bit 区分了这是无锁状态还是偏向锁状态。

关于为什么这么分配的内存,我们可以从 OpenJDK 中的markOop.hpp类中的枚举窥出端倪

来解释一下

  • age_bits 就是我们说的分代回收的标识,占用4字节
  • lock_bits 是锁的标志位,占用2个字节
  • biased_lock_bits 是是否偏向锁的标识,占用1个字节。
  • max_hash_bits 是针对无锁计算的 hashcode 占用字节数量,如果是 32 位虚拟机,就是 32 - 4 - 2 -1 = 25 byte,如果是 64 位虚拟机,64 - 4 - 2 - 1 = 57 byte,但是会有 25 字节未使用,所以 64 位的 hashcode 占用 31 byte。
  • hash_bits 是针对 64 位虚拟机来说,如果最大字节数大于 31,则取 31,否则取真实的字节数
  • cms_bits 我觉得应该是不是 64 位虚拟机就占用 0 byte,是 64 位就占用 1byte
  • epoch_bits 就是 epoch 所占用的字节大小,2 字节。

在上面的虚拟机对象头分配表中,我们可以看到有几种锁的状态:无锁(无状态),偏向锁,轻量级锁,重量级锁,其中轻量级锁和偏向锁是 JDK1.6 中对 synchronized 锁进行优化后新增加的,其目的就是为了大大优化锁的性能,所以在 JDK 1.6 中,使用 synchronized 的开销也没那么大了。其实从锁有无锁定来讲,还是只有无锁和重量级锁,偏向锁和轻量级锁的出现就是增加了锁的获取性能而已,并没有出现新的锁。

所以我们的重点放在对 synchronized 重量级锁的研究上,当 monitor 被某个线程持有后,它就会处于锁定状态。在 HotSpot 虚拟机中,monitor 的底层代码是由 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)

这段 C++ 中需要注意几个属性:_WaitSet 、 _EntryList 和 _Owner,每个等待获取锁的线程都会被封装称为 ObjectWaiter 对象。

_Owner 是指向了 ObjectMonitor 对象的线程,而 _WaitSet 和 _EntryList 就是用来保存每个线程的列表。

那么这两个列表有什么区别呢?这个问题我和你聊一下锁的获取流程你就清楚了。

锁的两个列表

当多个线程同时访问某段同步代码时,首先会进入 _EntryList 集合,当线程获取到对象的 monitor 之后,就会进入 _Owner 区域,并把 ObjectMonitor 对象的 _Owner 指向为当前线程,并使 _count + 1,如果调用了释放锁(比如 wait)的操作,就会释放当前持有的 monitor ,owner = null, _count - 1,同时这个线程会进入到 _WaitSet 列表中等待被唤醒。如果当前线程执行完毕后也会释放 monitor 锁,只不过此时不会进入 _WaitSet 列表了,而是直接复位 _count 的值。

Klass Pointer 表示的是类型指针,也就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。

你可能不是很理解指针是个什么概念,你可以简单理解为指针就是指向某个数据的地址。

实例数据 Instance Data

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是代码中定义的各个字段的字节大小,比如一个 byte 占 1 个字节,一个 int 占用 4 个字节。

对齐 Padding

对齐不是必须存在的,它只起到了占位符(%d, %c 等)的作用。这就是 JVM 的要求了,因为 HotSpot JVM 要求对象的起始地址必须是 8 字节的整数倍,也就是说对象的字节大小是 8 的整数倍,不够的需要使用 Padding 补全。

锁的升级流程

先来个大体的流程图来感受一下这个过程,然后下面我们再分开来说

无锁

无锁状态,无锁即没有对资源进行锁定,所有的线程都可以对同一个资源进行访问,但是只有一个线程能够成功修改资源。

无锁的特点就是在循环内进行修改操作,线程会不断的尝试修改共享资源,直到能够成功修改资源并退出,在此过程中没有出现冲突的发生,这很像我们在之前文章中介绍的 CAS 实现,CAS 的原理和应用就是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁,但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

偏向锁

HotSpot 的作者经过研究发现,大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,还存在锁由同一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在一个线程执行同步时提高性能。

可以从对象头的分配中看到,偏向锁要比无锁多了线程IDepoch,下面我们就来描述一下偏向锁的获取过程

偏向锁获取过程

  1. 首先线程访问同步代码块,会通过检查对象头 Mark Word 的锁标志位判断目前锁的状态,如果是 01,说明就是无锁或者偏向锁,然后再根据是否偏向锁 的标示判断是无锁还是偏向锁,如果是无锁情况下,执行下一步
  2. 线程使用 CAS 操作来尝试对对象加锁,如果使用 CAS 替换 ThreadID 成功,就说明是第一次上锁,那么当前线程就会获得对象的偏向锁,此时会在对象头的 Mark Word 中记录当前线程 ID 和获取锁的时间 epoch 等信息,然后执行同步代码块。

全局安全点(Safe Point):全局安全点的理解会涉及到 C 语言底层的一些知识,这里简单理解 SafePoint 是 Java 代码中的一个线程可能暂停执行的位置。

等到下一次线程在进入和退出同步代码块时就不需要进行 CAS 操作进行加锁和解锁,只需要简单判断一下对象头的 Mark Word 中是否存储着指向当前线程的线程ID,判断的标志当然是根据锁的标志位来判断的。如果用流程图来表示的话就是下面这样

关闭偏向锁

偏向锁在Java 6 和Java 7 里是默认启用的。由于偏向锁是为了在只有一个线程执行同步块时提高性能,如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态,可以通过JVM参数关闭偏向锁:-XX:-UseBiasedLocking=false,那么程序默认会进入轻量级锁状态。

关于 epoch

偏向锁的对象头中有一个被称为 epoch 的值,它作为偏差有效性的时间戳。

轻量级锁

轻量级锁是指当前锁是偏向锁的时候,资源被另外的线程所访问,那么偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁,不会阻塞,从而提高性能,下面是详细的获取过程。

轻量级锁加锁过程

  1. 紧接着上一步,如果 CAS 操作替换 ThreadID 没有获取成功,执行下一步
  2. 如果使用 CAS 操作替换 ThreadID 失败(这时候就切换到另外一个线程的角度)说明该资源已被同步访问过,这时候就会执行锁的撤销操作,撤销偏向锁,然后等原持有偏向锁的线程到达全局安全点(SafePoint)时,会暂停原持有偏向锁的线程,然后会检查原持有偏向锁的状态,如果已经退出同步,就会唤醒持有偏向锁的线程,执行下一步
  3. 检查对象头中的 Mark Word 记录的是否是当前线程 ID,如果是,执行同步代码,如果不是,执行偏向锁获取流程 的第2步。

如果用流程表示的话就是下面这样(已经包含偏向锁的获取)

重量级锁

重量级锁其实就是 synchronized 最终加锁的过程,在 JDK 1.6 之前,就是由无锁 -> 加锁的这个过程。

重量级锁的获取流程

  1. 接着上面偏向锁的获取过程,由偏向锁升级为轻量级锁,执行下一步
  2. 会在原持有偏向锁的线程的栈中分配锁记录,将对象头中的 Mark Word 拷贝到原持有偏向锁线程的记录中,然后原持有偏向锁的线程获得轻量级锁,然后唤醒原持有偏向锁的线程,从安全点处继续执行,执行完毕后,执行下一步,当前线程执行第 4 步
  3. 执行完毕后,开始轻量级解锁操作,解锁需要判断两个条件
    • 判断对象头中的 Mark Word 中锁记录指针是否指向当前栈中记录的指针

  • 拷贝在当前线程锁记录的 Mark Word 信息是否与对象头中的 Mark Word 一致。

如果上面两个判断条件都符合的话,就进行锁释放,如果其中一个条件不符合,就会释放锁,并唤起等待的线程,进行新一轮的锁竞争。

  1. 在当前线程的栈中分配锁记录,拷贝对象头中的 MarkWord 到当前线程的锁记录中,执行 CAS 加锁操作,会把对象头 Mark Word 中锁记录指针指向当前线程锁记录,如果成功,获取轻量级锁,执行同步代码,然后执行第3步,如果不成功,执行下一步
  2. 当前线程没有使用 CAS 成功获取锁,就会自旋一会儿,再次尝试获取,如果在多次自旋到达上限后还没有获取到锁,那么轻量级锁就会升级为 重量级锁

如果用流程图表示是这样的

根据上面对于锁升级细致的描述,我们可以总结一下不同锁的适用范围和场景。

synchronized 代码块的底层实现

为了便于方便研究,我们把 synchronized 修饰代码块的示例简单化,如下代码所示

public class SynchronizedTest {

    private int i;

    public void syncTask(){
        synchronized (this){
            i++;
        }
    }

}

我们主要关注一下 synchronized 的字节码,如下所示

从这段字节码中我们可以知道,同步语句块使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令,其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置,monitorexit 指令指向同步代码块的结束位置。

那么为什么会有两个 monitorexit 呢?

不知道你注意到下面的异常表了吗?如果你不知道什么是异常表,那么我建议你读一下这篇文章

看完这篇Exception 和 Error,和面试官扯皮就没问题了

synchronized 修饰方法的底层原理

方法的同步是隐式的,也就是说 synchronized 修饰方法的底层无需使用字节码来控制,真的是这样吗?我们来反编译一波看看结果

public class SynchronizedTest {

    private int i;

    public synchronized void syncTask(){
        i++;
    }
}

这次我们使用 javap -verbose 来输出详细的结果

从字节码上可以看出,synchronized 修饰的方法并没有使用 monitorenter 和 monitorexit 指令,取得代之是ACC_SYNCHRONIZED 标识,该标识指明了此方法是一个同步方法,JVM 通过该 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法,从而执行相应的同步调用。这就是 synchronized 锁在同步代码块上和同步方法上的实现差别。

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