Java并发 - synchronized 关键字

2021/07/29 concurrent 共 6940 字,约 20 分钟
Bob.Zhu

在多线程并发编程中 synchronized 一直是元老级角色,很多人都会称呼它为重量级锁。但是,随着 Java SE 1.6 对 synchronized 进行了各种优化之后,有些情况下它就并不那么重了。本文详细介绍 Java SE 1.6 中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁,以及锁的存储结构 和升级过程。

锁对象

利用 synchronized 实现同步的基础:Java 中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下 3 种形式:

  • 普通方法:锁是当前实例对象
  • 静态方法:锁是当前类的 Class 对象
  • 方法块: 锁是 Synchonized 括号里配置的对象

实现原理

synchronized是JVM内置锁,通过内部对象Monitor(监视器锁)来实现,基于进入与退出monitor对象 来实现方法与代码块的同步,监视器锁的实现,最终依赖操作系统的Mutex lock(互斥锁)来实现。 底层操作系统的 mutex 会有用户态和内核态之间的切换,所以性能损耗十分明显,被称作是重量级锁。

当一个线程试图访问同步代码块时,它首先必须得到锁,退出或抛出异常时必须释放锁。那么锁到底存在 哪里呢?锁里面会存储什么信息呢?

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,但是两者的实现细节不一样:

  • 代码块同步: 通过使用monitorenter和monitorexit指令实现的.
  • 同步方法: ACC_SYNCHRONIZED修饰

monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置,而monitorexit指令是在编译后插入到同步代码块的结束处或异常处

示例代码

为了证明JVM的实现方式,下面通过反编译代码来证明:

public class SynchronizedDemo {
  
  public void f1() {
    synchronized (SynchronizedDemo.class) {
      System.out.println("Hello World.");
    }
  }

  public synchronized void f2() {
    System.out.println("Hello World.");
  }

}

查看字节码

先编译:javac SynchronizedDemo.java,然后通过 javap -c SynchronizedDemo 看看 add 方法的字节码指令:

public class y2021.m07.d29.synchronize.SynchronizedDemo {
  public y2021.m07.d29.synchronize.SynchronizedDemo();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public void f1();
    Code:
       0: ldc           #2                  // class y2021/m07/d29/synchronize/SynchronizedDemo
       2: dup
       3: astore_1
       4: monitorenter
       5: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       8: ldc           #4                  // String Hello World.
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      13: aload_1
      14: monitorexit
      15: goto          23
      18: astore_2
      19: aload_1
      20: monitorexit
      21: aload_2
      22: athrow
      23: return
    Exception table:
       from    to  target type
           5    15    18   any
          18    21    18   any

  public synchronized void f2();
    Code:
       0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #4                  // String Hello World.
       5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
}

先说f1()方法,发现其中一个monitorenter对应了两个monitorexit,这是不对的. 但是仔细看#15: goto语句, 直接跳转到了#23: return处,再看#22: athrow语句发现,原来第二个monitorexit是保证同步代码块抛出异常时 锁能得到正确的释放而存在的,这就理解了。

综上: 发现同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现的;同步方法是加了一个 ACC_SYNCHRONIZED修饰来实现的。

monitorenter

Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it 
has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership 
of the monitor associated with objectref, as follows:

每个对象都与一个 monitor 相关联,当且仅当 monitor 属于某个线程时,monitor才会被锁定。 执行到 monitorenter 指令的线程,会尝试去获得对应的 monitor,如下:

  • 每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器, 对象未被锁定时,该计数器为0。线程进入monitor(执行monitorenter指令)时,会把计数器设置为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.
  • 当其他线程想获得该monitor的时候,就会阻塞,直到计数器为0才能成功。

monitorexit

The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated 
with the instance referenced by objectref.

monitor的拥有者线程才能执行 monitorexit指令。

线程执行monitorexit指令,就会让monitor的计数器减一。 如果计数器为0,表明该线程不再拥有monitor。其他线程就允许尝试去获得该monitor了。

ACC_SYNCHRONIZED

方法级别的同步是隐式的,作为方法调用的一部分。同步方法的常量池中会有一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志。 当调用一个设置了ACC_SYNCHRONIZED标志的方法,执行线程需要先获得monitor锁,然后开始执行方法, 方法执行之后再释放monitor锁,当方法不管是正常return还是抛出异常都会释放对应的monitor锁。 在这期间,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。 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。

其实 ACC_SYNCHRONIZED 的最终实现还是通过monitor来实现同步的,这与 monitorenter & monitorexit 并没有本质的不同。

monitor监视器

既然synchronized锁依赖于 monitor监视器 来实现,那么 monitor监视器 到底是什么东西,又是如何实现的呢? 它可以理解为一种同步工具,或者说是同步机制,它通常被描述成一个对象。操作系统的管程是概念原理, ObjectMonitor是它的原理实现。

ObjectMonitor

操作系统的管程

并发编程的两大核心问题:一是互斥,即同一时刻只允许一个线程访问共享资源;二是同步,即线程之间的 “wait-notify” 机制。 管程能够解决这两大问题。Java SDK 并发包通过 Lock 和 Condition 两个接口来实现管程,其中 Lock 用于解决互斥问题,Condition 用于解决同步问题。

  • 管程 (英语:Monitors,也称为监视器) 是一种程序结构,结构内的多个子程序(对象或模块)形成的多个工作线程互斥访问共享资源。
  • 这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。管程实现了在一个时间点,最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。
  • 与那些通过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比,管程实现很大程度上简化了程序设计。
  • 管程提供了一种机制,线程可以临时放弃互斥访问,等待某些条件得到满足后,重新获得执行权恢复它的互斥访问。

ObjectMonitor

在Java虚拟机(HotSpot)中,Monitor(管程)是由ObjectMonitor实现的,其主要数据结构如下:

ObjectMonitor() {
  _header       = NULL;
  _count        = 0; // 记录个数
  _waiters      = 0,
  _recursions   = 0;
  _object       = NULL;
  _owner        = NULL;
  _WaitSet      = NULL;  // 处于wait状态的线程,会被加入到_WaitSet
  _WaitSetLock  = 0 ;
  _Responsible  = NULL ;
  _succ         = NULL ;
  _cxq          = NULL ;
  FreeNext      = NULL ;
  _EntryList    = NULL ;  // 处于等待锁block状态的线程,会被加入到该列表
  _SpinFreq     = 0 ;
  _SpinClock    = 0 ;
  OwnerIsThread = 0 ;
}

ObjectMonitor中几个关键字段的含义如图所示: ObjectMonitor-property

工作机理

Java Monitor 的工作机理如图所示: Monitor-工作原理

  • 想要获取monitor的线程,首先会进入_EntryList队列。
  • 当某个线程获取到对象的monitor后,进入_Owner区域,设置为当前线程,同时计数器_count加1。
  • 如果线程调用了wait()方法,则会进入_WaitSet队列。它会释放monitor锁,即将_owner赋值为null,_count自减1,进入_WaitSet队列阻塞等待。
  • 如果其他线程调用 notify() / notifyAll() ,会唤醒_WaitSet中的某个线程,该线程再次尝试获取monitor锁,成功即进入_Owner区域。
  • 同步方法执行完毕了,线程退出临界区,会将monitor的owner设为null,并释放监视锁。

为了形象生动一点,举个例子:

synchronized(this){  //进入_EntryList队列
  doSth();
  this.wait();  //进入_WaitSet队列
}

对象与monitor关联

对象是如何跟monitor关联的呢?直接先看图: 对象与Monitor关联

看完上图,其实对象跟monitor怎样关联,我们已经有个大概认识了,接下来我们分对象内存布局,对象头,MarkWord继续往下探讨。

Java对象头(存储锁类型)

在HotSpot虚拟机中, 对象在内存中的布局分为三块区域: 对象头, 实例数据对齐填充. 对象头 中包含两部分: MarkWord类型指针;如果是数组对象的话, 对象头还有一部分是存储数组的长度. 多线程下synchronized的加锁就是对同一个对象的对象头中的MarkWord中的变量进行CAS操作.

  • 对象头
    • MarkWord
    • 类型指针
    • (数组)数组长度
  • 实例数据
  • 对齐填充

MarkWord

Mark Word用于存储对象自身的运行时数据, 如HashCode, GC分代年龄, 锁状态标志, 线程持有的锁, 偏向线程ID等等. 占用内存大小与虚拟机位长一致(32位JVM -> MarkWord是32位, 64位JVM -> MarkWord是64位)。

Markword

  • 前面分析可知,monitor特点是互斥进行,你再喵一下上图,重量级锁,指向互斥量的指针。
  • 其实synchronized是重量级锁,也就是说Synchronized的对象锁,Mark Word锁标识位为10,其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。
  • 顿时,是不是感觉柳暗花明又一村啦!对象与monitor怎么关联的?答案:Mark Word重量级锁,指针指向monitor地址。

对象与monitor怎么关联?

  • 对象里有对象头
  • 对象头里面有Mark Word
  • Mark Word指针指向了monitor

类型指针

类型指针指向对象的类元数据, 虚拟机通过这个指针确定该对象是哪个类的实例.

对象头的长度

长度内容说明
32/64bitMarkWord存储对象的hashCode或锁信息等
32/64bitClass Metadada Address存储对象类型数据的指针
32/64bitArray Length数组的长度(如果当前对象是数组)

如果是数组对象的话, 虚拟机用3个字宽(32/64bit + 32/64bit + 32/64bit)存储对象头; 如果是普通对象的话, 虚拟机用2字宽存储对象头(32/64bit + 32/64bit).

锁优化和锁升级

synchronized是JVM内置锁,通过内部对象Monitor(监视器锁)来实现,基于进入与退出monitor对象 来实现方法与代码块的同步,监视器锁的实现,最终依赖操作系统的Mutex lock(互斥锁)来实现。 底层操作系统的 mutex 会有用户态内核态之间的切换,所以性能损耗十分明显,被称作是重量级锁。 而JDK1.6 以后引入偏向锁和轻量级锁在JVM层面实现加锁的逻辑,不依赖底层操作系统,就没有切换的消耗。

下面分两个部分详细讲解synchronized锁分类以及锁的优化和升级过程。

锁分类

锁级别从低到高依次是:

  1. 无锁:不锁住资源,多个线程只有一个能修改资源成功,其他线程会重试;
  2. 偏向锁:同一个线程获取同步资源时,没有别人竞争时,去掉所有同步操作,相当于没锁;
  3. 轻量级锁:多个线程抢夺同步资源时,没有获得锁的线程使用CAS自旋等待锁的释放;
  4. 重量级锁:多个线程抢夺同步资源时,使用操作系统的互斥量进行同步,没有获得锁的线程阻塞等待唤醒;

锁可以升级, 但不能降级. 即: 无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁是单向的

下面看一下每个锁状态时, 对象头中的MarkWord这一个字节中的内容是什么. 以32位为例:

无锁状态

无锁状态不需要任何同步处理,直接运行相关代码即可。

25bit4bit1bit(是否是偏向锁)2bit(锁标志位)
对象的hashCode对象分代年龄001

偏向锁状态

当检测到 synchronized 关键字的时候,或者说检测到class二进制文件中包含 monitorentermonitorexit 或者 ACC_SYNCHRONIZED 关键字的时候,JVM首先会尝试使用偏向锁。 偏向锁指的就是JVM会认为只有某个线程才会执行同步代码(没有竞争的环境),所以在 Mark Word 会直接记录线程ID,只要线程来执行代码了,会比对线程ID是否相等,相等则当前线程能直接获取得到锁, 执行同步代码。如果不相等,则用CAS来尝试修改当前的线程ID;如果CAS修改成功,那还是能获取得到锁, 执行同步代码,如果CAS失败了,说明有竞争环境,此时会对偏向锁撤销,升级为轻量级锁。

  • 比对 Mark Word 中的线程ID
    • 相等:执行同步代码
    • 不相等:CAS 模式修改线程ID
      • 修改成功:获得所,执行同步代码
      • 修改失败:偏向锁升级为轻量级锁
23bit2bit4bit1bit2bit
线程IDepoch对象分代年龄101

轻量级锁状态

在轻量级锁状态下,当前线程会在栈帧下创建Lock Record,LockRecord 会把Mark Word 的信息拷贝进去,且有个Owner指针指向加锁的对象。线程执行到同步代码时,则用CAS试图将 Mark Word 的指向到线程栈帧的 Lock Record,假设CAS修改成功,则获取得到轻量级锁; 假设修改失败,则自旋(重试),自旋一定次数后,则升级为重量级锁

  • CAS方式将指针指向线程栈帧的 Lock Record
    • 成功:获取轻量级锁,执行同步代码
    • 失败:自旋重试一定次数
      • 自旋成功:获取轻量级锁,执行同步代码
      • 自旋失败:升级为重量级锁
30bit2bit
指向栈中锁记录的指针00

重量级锁状态

30bit2bit
指向互斥量(重量级锁)的指针10

锁的比较

优点缺点适用场景
偏向锁加锁和解锁不需要额外的消耗, 和执行非同步代码方法的性能相差无几.如果线程间存在锁竞争, 会带来额外的锁撤销的消耗.适用于只有一个线程访问的同步场景
轻量级锁竞争的线程不会阻塞, 提高了程序的响应速度如果始终得不到锁竞争的线程, 使用自旋会消耗CPU追求响应时间, 同步快执行速度非常快
重量级锁线程竞争不适用自旋, 不会消耗CPU线程堵塞, 响应时间缓慢追求吞吐量, 同步快执行时间速度较长
  • 只有一个线程进入临界区 => 偏向锁
  • 多个线程交替进入临界区 => 轻量级锁
  • 多线程同时进入临界区 => 重量级锁

参考资料

文档信息

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