并發編程系列之Synchronized實現原理

并發編程系列之Synchronized實現原理

1、了解synchronized字節碼

下面給出一個簡單例子，synchronized關鍵字加在兩個方法上，另外一個加在方法里

public class SynchroinzedDemo { static int a; public static synchronized void add1(int b){ a += b; } public synchronized void add2(int b){ a += b; } public void add3(int b){ synchronized (this){ a += b; } } public static void main(String[] args) { } }

先用使用javac編譯為class文件，或者在IDE直接運行就行，找到對應class文件，使用如下命令：

javap -verbose SynchroinzedDemo.class > log.txt

找到log.txt文件，對比兩個加了synchronized關鍵字的方法，都有ACC_SYNCHRONIZED這個標識

public static synchronized void add1(int); descriptor: (I)V flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED Code: stack=2, locals=1, args_size=1 0: getstatic #2 // Field a:I 3: iload_0 4: iadd 5: putstatic #2 // Field a:I 8: return LineNumberTable: line 6: 0 line 7: 8 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 9 0 b I public synchronized void add2(int); descriptor: (I)V flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED Code: stack=2, locals=2, args_size=2 0: getstatic #2 // Field a:I 3: iload_1 4: iadd 5: putstatic #2 // Field a:I 8: return LineNumberTable: line 10: 0 line 11: 8 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 9 0 this Lcom/example/concurrent/sync/SynchroinzedDemo; 0 9 1 b I

找到比較關鍵的monitorenter和monitorexit關鍵字，monitorenter和monitorexit關鍵字是什么？后面再介紹

public void add3(int); descriptor: (I)V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=2, locals=4, args_size=2 0: aload_0 1: dup 2: astore_2 3: monitorenter 4: getstatic #2 // Field a:I 7: iload_1 8: iadd 9: putstatic #2 // Field a:I 12: aload_2 13: monitorexit 14: goto 22 17: astore_3 18: aload_2 19: monitorexit 20: aload_3 21: athrow 22: return Exception table: from to target type 4 14 17 any 17 20 17 any LineNumberTable: line 14: 0 line 15: 4 line 16: 12 line 17: 22 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 23 0 this Lcom/example/concurrent/sync/SynchroinzedDemo; 0 23 1 b I StackMapTable: number_of_entries = 2 frame_type = 255 /* full_frame */ offset_delta = 17 locals = [ class com/example/concurrent/sync/SynchroinzedDemo, int, class java/lang/Object ] stack = [ class java/lang/Throwable ] frame_type = 250 /* chop */ offset_delta = 4

綜上：

方法上加synchronized，是在ACC_SYNCHRONIZED關鍵字

方法里加synchronized(obj)，對應字節碼是monitorenter、monitorexit

2、Monitor是什么？

前面的javap編譯，我們知道了monitorenter和monitorexit，synchronized重量級鎖實現依賴于Monitor，所以需要介紹一下說明是Monitor，翻譯過來是監視器？我們知道synchronized鎖的作用和ReentrantLock的作用是一致的，所以synchronized實現同步的原理是否應該一樣？實現上應該也要有互斥量，有等待隊列，有重入計數。

前面的學習，我們知道synchronized鎖的實現依賴于jvm，要實現鎖就要有互斥量，jvm實現鎖的方式是什么？

jvm也是程序，因為作為java程序和操作系統的中間件，所以可以直接使用操作系統提供的線程同步原語：mutex互斥量和semaphore信號量，當然也可以使用CAS鎖

而jvm使用的Monitor又是什么？和jvm以及操作系統底層的線程同步原語又有什么關系？

Monitor，翻譯過來可以說是官程，或者說是監視器

在使用操作系統底層的線程同步原語，需要程序員非常小心地控制mutex的down和up操作，否則很容易引起死鎖等問題。為了更容易寫出正確程序，所以在mutex和semaphore的基礎上，提出了更高層次的同步原語monitor，當然monitor并不是操作系統提供的，而是由編譯器，比如java的jvm自己去實現的，所以要使用monitor要確定編程語言是否支持，比如c語言就不支持，java語言支持，因為jvm已經實現了，所以說synchronized是jvm層面的鎖

jvm如何實現monitor的？可以去github下載openJdk的源碼，路徑：

openjdk\hotspot\src\share\vm\runtime\objectMonitor.hpp penjdk\hotspot\src\share\vm\runtime\objectMonitor.cpp

主要類是ObjectMonitor.cpp，看了源碼實現：

// // The ObjectMonitor class is used to implement JavaMonitors which have // transformed from the lightweight structure of the thread stack to a // heavy weight lock due to contention // objectMonitor用于實現javaMonitor，javaMonitor是由于線程爭用而從線程堆棧的輕量級結構轉換為的重量級鎖 // It is also used as RawMonitor by the JVMTI

// initialize the monitor, exception the semaphore, all other fields // are simple integers or pointers ObjectMonitor() { _header = NULL; _count = 0; _waiters = 0, // 等待中的線程數 _recursions = 0; //線程重入次數 _object = NULL; // 存儲該monitor的對象 _owner = NULL; //擁有該monitor的線程 _WaitSet = NULL; //等待線程組成的雙向循環鏈表，_WaitSet 指向第一個節點 _WaitSetLock = 0 ; _Responsible = NULL ; _succ = NULL ; _cxq = NULL ; //多線程競爭鎖進入時的單向鏈表 FreeNext = NULL ; _EntryList = NULL ; //_owner從該雙向循環鏈表中喚醒線程結點，_EntryList是第一個節點 _SpinFreq = 0 ; _SpinClock = 0 ; OwnerIsThread = 0 ; _previous_owner_tid = 0; // 前一個擁有此監視器的線程ID }

主要方法：

bool try_enter (TRAPS) ; // 重量級鎖入口方法 void enter(TRAPS); // monitor 釋放 void exit(bool not_suspended, TRAPS); // 等待方法 void wait(jlong millis, bool interruptable, TRAPS); // 喚醒方法 void notify(TRAPS); void notifyAll(TRAPS);

synchronized鎖隊列協作流程比較復雜，所以源碼的本博客就不詳細描述，讀者可以參考博客synchronized實現原理 小米信息部技術團隊，里面有對源碼做一個比較清晰的分析

3、鎖的優化方法

在jdk6中，java虛擬機團隊對鎖進行了重要的改進，為了優化其性能主要引入了偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖、自適應自旋、鎖消除、鎖粗化等實現。

為了保證多線程的有效并發，會要求每個線程持有鎖的盡可能短，大部分情況，上面原則是正確的，但是在實際程序運行過程，可能會有一系列操作對一個對象反復加鎖和解鎖，或者加鎖放在循環體中，這種情況會帶來不必要的性能問題，所以jvm會對這種情況進行鎖的粗化處理。鎖粗化就是將鎖的作用范圍限制得盡可能小，只在共享數據的作用域中才進行同步加鎖。

public void doSomething(int size){ for(int i=0;i

通過逃逸分析發現其實沒有別的線程產生競爭的可能，別的線程沒有臨界量的引用，虛擬機會直接去掉這個鎖

StringBuffer是線程安全的，因為這個類使用了很多synchronized鎖，append方法也是

@Override public synchronized StringBuffer append(Object obj) { toStringCache = null; super.append(String.valueOf(obj)); return this; }

例子，所以給一個例子，使用append這個方法，不過只是單獨在main里同步調用，因為sBuf變量是本地變量，append方法是同步操作，不會存在競爭（不會逃逸），所以這個程序運行過程jvm可能會進行鎖消除，忽略Stringbuffer里的synchronized鎖

public static String getStr(String str1, String str2) { StringBuffer sBuf = new StringBuffer(); sBuf.append(str1); sBuf.append(str2); return sBuf.toString(); }

jdk6引入了偏向鎖來優化無線程爭用時性能，偏向也即偏向獲得它的線程，無鎖化執行。

當一個線程獲取到鎖后，這把鎖就是偏向鎖。偏向鎖是在對象頭中記錄一個線程ID，當這個線程再次去獲取鎖時，會校驗是否這個線程，如果是直接獲取鎖就可以。

偏向鎖可以提高帶有同步但是無線程爭用的程序性能，帶有效益權衡性質的優化方法。也就是開啟偏向鎖并不一定都是有利的，如果程序總是存在多個線程競爭的情況，使用偏向鎖反而影響性能，可以使用命令關閉偏向鎖

-XX:-UseBiasedLocking

jdk1.6引進了輕量級鎖，輕量級鎖是相對于重量級鎖使用monitor而言的，前面學習，我們知道monitor是基于操作系統底層的線程同步原語。引進輕量級鎖并不是為了替換重量級鎖，而是為了在沒有多線程競爭的前提下，使用輕量級鎖，減少重量級鎖使用操作系統底層互斥量帶來的性能損耗。

所以輕量級鎖適應條件是同一時間線程爭用不嚴重的情況?！皩τ诮^大部分的鎖，在整個同步周期內都是不存在競爭的”，這是一個經驗，如果滿足，使用輕量級鎖當然可以帶來性能提升，如果存在競爭，則可能比重量級鎖更慢。思考：輕量級鎖使用什么來做互斥量？

答案是cas鎖，輕量級鎖使用對象頭中的mark work來做互斥判斷

以上是java對象處于5種不同狀態時，Mark Work中64個位的表現形式，每一行表示對象處于某種狀態時的樣子。其中各部分參數的意義：

lock：2位的鎖狀態標記位，該標志位的值表示不同的鎖狀態，比如01表示正常無鎖狀態或者偏向鎖狀態，00表示輕量級鎖狀態，10表示重量級鎖狀態。

biased_lock：biased_lock為1時表示啟動偏向鎖，為0時表示對象沒有啟用偏向鎖，biased_lock和lock配合表示的意義

age：表示對象的年齡。在jvm的gc中，對象在survivor區復制一次，年齡加1.jvm可以設置一個閾值，默認是15，對象年齡達到15后會進入老年代，可以通過命令-XX:MaxTenuringThreshold進行設置

identity_hashcode：31位的對象標識hashCode，采用延遲加載技術。調用方法System.identityHashCode()計算，并會將結果寫到該對象頭中。當對象加鎖后（偏向、輕量級、重量級），MarkWord的字節沒有足夠的空間保存hashCode，因此該值會移動到管程Monitor中。

thread：持有偏向鎖的線程ID

epoch：偏向鎖的時間戳。

ptr_to_lock_record：輕量級鎖狀態下，指向棧中鎖記錄的指針。

ptr_to_heavyweight_monitor：重量級鎖狀態下，指向對象監視器Monitor的指針。

輕量級鎖的使用過程：

CAS鎖修改mark word的lock標識為00，成功就獲得鎖，失敗就是有競爭，自旋，自旋獲取不到，轉為重量級鎖

搶到輕量級鎖后將mark word保存到執行棧上，釋放時CAS還原到對象頭上，能還原成功，意味著沒線程爭用，還原不成功，則表示有線程競爭且阻塞等待了，喚醒等待線程，將mark word 復制給它。

自旋是一種獲取鎖的機制，并不是鎖的狀態。如果業務場景比較簡單，可以比較快完成，同時又有多個處理器的情況，則搶不到鎖的線程是可以通過循環自旋的方式去獲取鎖。jdk1.4.2引入，默認關閉，jdk1.6改為默認開啟，開關參數：

-XX:+UseSpinning

優缺點：如果鎖占用時間很短，自旋等待的效果是不錯的，反之會耗費處理器資源。同時自旋對處理器數量也有要求，必須要有多個處理器。

自適應自旋：jdk1.6引入了自適應自旋，意味著自旋時間不再固定，而是由前一次在同個鎖上的自旋時間及鎖的持有者狀態來決定的。如果在同一個鎖對象上，自旋等待獲得鎖，并且持有鎖的線程正在運行，那么虛擬機就會認為這次自旋是成功的，進而它允許自旋等待更長的時間。如果很少成功獲取鎖，那在以后去搶鎖時可能省略自旋的過程。有了自適應自旋，虛擬機對鎖的狀況預測會越來越準確。

4、鎖的升級過程

鎖的升級過程：無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖

偏向鎖：當一個線程獲取到鎖后，這把鎖就是偏向鎖，偏向鎖是在鎖對象的對象頭中記錄一個線程id,然后該線程再次獲取鎖時，直接獲取就可以

輕量級鎖：如果有第二個線程來競爭鎖，這時就會升級為輕量級鎖，輕量級鎖是不會阻塞線程的，其底層是通過自旋實現的。自旋是通過CAS獲取一個預期的標識，如果沒獲取到，就會一直循環獲取，獲取到標識，也就標識獲取到鎖

重量級鎖：如果輕量級鎖一直自旋也獲取不到鎖，才會升級為重量級鎖，重量鎖是會阻塞線程的，也稱之為重鎖

5、參考資料

synchronized實現原理 | 小米信息部技術團隊

《深入理解Java虛擬機》

https://www.cs.princeton.edu/picasso/mats/HotspotOverview.pdf

https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/Synchronization

Java JDK 任務調度

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