synchronized进阶详解《Java并发编程的艺术》读书笔记

古城微笑少年丶 2021-11-17 13:56 291阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  synchronized实现同步的基础
 *  Java对象头
 *  锁的升级与对比
 *   *  1.偏向锁
     *   *  1）偏向锁的撤销
         *  2）关闭偏向锁
     *  2.轻量级锁
     *   *  1）轻量级锁加锁
         *  2）轻量级锁解锁
     *  3.锁的优缺点对比

# synchronized实现同步的基础 #

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。

*  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Synchronized括号里配置的对象。

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？所里面会存储什么信息呢？

从JVM规范中可以看到Synchronized在JVM里的实现原理，`JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步`，但两者的实现细节却不一样。`代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的`，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明。但是，方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。

`monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对`。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

# Java对象头 #

`synchronized用的锁是存在Java对象头里的`。如果对象时数组类型，则虚拟机用了3个字宽（Word）存储对象头，如果对象时非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit，如下表为Java对象头的长度：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>长度</th> 
   <th>内容</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>32/64bit</td> 
   <td>Mark Word</td> 
   <td>存储对象的hashCode或锁信息等</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>32/64bit</td> 
   <td>Class Metadata Address</td> 
   <td>存储到对象类型数据的指针</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>32/64bit</td> 
   <td>Array length</td> 
   <td>数组的长度（如果当时对象时数组）</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

`Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标志位`。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下表为Java对象头的存储结构：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁状态</th> 
   <th>25bit</th> 
   <th>4bit</th> 
   <th>1bit是否是偏向锁</th> 
   <th>2bit 锁标志位</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>无锁状态</td> 
   <td>对象的hashCode</td> 
   <td>对象分代年龄</td> 
   <td>0</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。分别对应四种为：轻量级锁、重量级锁、GC标志、偏向锁。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下图所示：  
![图转自百度图片][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

# 锁的升级与对比 #

`Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，在Java SE 1.6中，锁一共有四种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率`。下面详细讲解：

## 1.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，只需简单的测试一下对象头里的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中偏向锁的标志是否设置成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`。

### 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。下图线程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 2）关闭偏向锁 ###

偏向锁在Java 6 和 Java 7里是默认启用的，但是他在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：`-XX:BiasedLockingStartupDelay=0`。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。

## 2.轻量级锁 ##

### 1）轻量级锁加锁 ###

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧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。下图是两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被组塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

## 3.锁的优缺点对比 ##

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁</th> 
   <th>优点</th> 
   <th>缺点</th> 
   <th>适用场景</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>偏向锁</td> 
   <td>加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距</td> 
   <td>如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗</td> 
   <td>适用于只有一个线程访问同步块的场景</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>轻量级锁</td> 
   <td>竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度</td> 
   <td>如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU</td> 
   <td>追求响应时间，同步代码块执行的速度非常快</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>重量级锁</td> 
   <td>线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU</td> 
   <td>线程阻塞，响应时间缓慢</td> 
   <td>追求吞吐量，同步块执行速度较长</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211116/46f2938e346d4ac1b7a523d7c2d19b55.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20211116/ba6c42457088498ab471194fee479a90.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI0MDk1MDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20211116/f1ecf681ecb743d4b2efcce40d1779c8.png