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Java synchronized最细讲解

作者:Penguin——科波特

synchronized是Java语言的关键字,当它用来修饰一个方法或者一个代码块的时候,能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码。本文给大家介绍java中 synchronized的用法,对本文感兴趣的朋友一起看看吧

前言

线程安全问题的主要诱因有两点,一是存在共享数据(也称临界资源),二是存在多条线程共同操作共享数据。

因此为了解决这个问题,我们可能需要这样一个方案,当存在多个线程操作共享数据时,需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据,其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行,这种方式有个高尚的名称叫互斥锁,即能达到互斥访问目的的锁,也就是说当一个共享数据被当前正在访问的线程加上互斥锁后,在同一个时刻,其他线程只能处于等待的状态,直到当前线程处理完毕释放该锁。

在 Java 中,关键字 synchronized可以保证在同一个时刻,只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作),同时我们还应该注意到synchronized另外一个重要的作用,synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到(保证可见性,完全可以替代Volatile功能),这点确实也是很重要的。

synchronized三种作用范围(给对象加锁)

在静态方法上加锁;

在非静态方法上加锁;

在代码块上加锁;

public class SynchronizedSample {
 
    private final Object lock = new Object();
 
    private static int money = 0;
		//非静态方法
    public synchronized void noStaticMethod(){
        money++;
    }
		//静态方法
    public static synchronized void staticMethod(){
        money++;
    }
		
    public void codeBlock(){
      	//代码块
        synchronized (lock){
            money++;
        }
    }
}
作用范围 锁对象
非静态方法 当前对象 => this
静态方法 类对象 => SynchronizedSample.class (一切皆对象,这个是类对象)
代码块 指定对象 => lock (以上面的代码为例)

Synchronization实现原理

先理解Java对象头与Monitor

1.对象头:锁的类型和状态和对象头的Mark Word息息相关;

在这里插入图片描述

对象头分为二个部分,Mard WordKlass Word

对象头结构 存储信息-说明
Mard Word 存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息
Klass Word 存储指向对象所属类(元数据)的指针,JVM通过这个确定这个对象属于哪个类

其中Mark Word在默认情况下存储着对象的HashCode、分代年龄、锁标记位等以下是32位JVM的Mark Word默认存储结构

锁状态 25bit 4bit 1bit是否是偏向锁 2bit 锁标志位
无锁状态 对象HashCode 对象分代年龄 0 01

在这里插入图片描述

主要分析一下重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁,锁标识位为10,其中指针指向的是monitor对象(也称为管程或监视器锁)的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联,对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式,如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成,但当一个 monitor 被某个线程持有后,它便处于锁定状态。在Java虚拟机(HotSpot)中,monitor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)

//👇图详细介绍重要变量的作用
ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;   // 重入次数
    _waiters      = 0,   // 等待线程数
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  // 当前持有锁的线程
    _WaitSet      = NULL;  // 调用了 wait 方法的线程被阻塞 放置在这里
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 等待锁 处于block的线程 有资格成为候选资源的线程
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor中有两个队列,_WaitSet 和 _EntryList,用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象),_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程,当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入 _EntryList 集合,当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1,若线程调用 wait() 方法,将释放当前持有的monitor,owner变量恢复为null,count自减1,同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值,以便其他线程进入获取monitor(锁)。如下图所示

在这里插入图片描述

由此看来,monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向),synchronized锁便是通过这种方式获取锁的,也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因,同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因(关于这点稍后还会进行分析)。

jdk6 之后做了改进,引入了偏向锁和轻量级锁:

1.无锁到偏向锁转化的过程

在这里插入图片描述

  • 首先A 线程访问同步代码块,使用CAS 操作将 Thread ID 放到 Mark Word 当中;
  • 如果CAS 成功,此时线程A 就获取了锁
  • 如果线程CAS 失败,证明有别的线程持有锁,例如上图的线程B 来CAS 就失败的,这个时候启动偏向锁撤销 (revoke bias);
  • 锁撤销流程:
    • 让 A线程在全局安全点阻塞(类似于GC前线程在安全点阻塞)
    • 遍历线程栈,查看是否有被锁对象的锁记录( Lock Record),如果有Lock Record,需要修复锁记录和Markword,使其变成无锁状态。
    • 恢复A线程
    • 将是否为偏向锁状态置为 0 ,开始进行轻量级加锁流程

2.偏向锁升级轻量级

其实就是撤销偏向锁后,当前线程栈中会分配锁记录,并拷贝Mark Word到锁记录中。然后两个线程用CAS的方式去修改Mark Word中的指针指向自己,假如说第一个线程修改成功了,然后将锁升级为轻量级锁,去执行同步语句块中的内容。

3.轻量级到重量级

修改失败的第二个线程会进入自旋状态,自旋结束后会继续去尝试CAS修改指针指向自己。如果自旋失败超过一定次数的时候(这个次数会动态进行调整),会请求JVM将此时的锁状态升级为重量级锁,这是依赖于底层操作系统的调度库来实现的。接着将Mark Word指向重量级锁Monitor的指针,然后挂起当前第二个线程(被放在Monitor的_EntryList中)。等一个线程执行完毕后,会查看当前Mark Word中的指针是否仍然指向自己,如果是自己的话就释放锁,否则不是自己的话,说明此时已经升级成了重量级锁,除了释放锁之后,还会唤醒阻塞的线程,进行新一轮的锁竞争。在此之后,该锁就一直会是重量级锁存在了

ps:为什么设计自旋数超过一定限制设置为重量级锁?

一般来说,同步代码块内的代码应该很快就执行结束,这时候修改失败的第二个线程自旋一段时间是很容易拿到锁的,但是如果不巧,没拿到,自旋其实就是死循环,很耗CPU的,因此就直接转成重量级锁咯,这样就不用了线程一直自旋了。

源码才学疏浅只了解到:

synchronized 在代码块上是通过 monitorenter 和 monitorexit指令实现,在静态方法和 方法上加锁是在方法的flags 中加入 ACC_SYNCHRONIZED 。JVM 运行方法时检查方法的flags,遇到同步标识开始启动前面的加锁流程,在方法内部遇到monitorenter指令开始加锁。

总结

本篇文章就到这里了,希望能够给你带来帮助,也希望您能够多多关注脚本之家的更多内容!

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