synchronized底层细究(硬核）

我不是女神ヾ 2023-10-13 12:24 33阅读 0赞

### synchronized的使用 ###

synchronized 同步块是 Java 提供的一种原子性内置锁，Java 中的每个对象都可以把它当作一个同步锁来使用，这些 Java 内置的使用者看不到的锁被称为内置锁，也叫作监视器锁。

**加锁方式：**

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### synchronized底层实现原理分析 ###

**synchronized是JVM内置锁，基于Monitor机制实现，** 依赖底层操作系统的互斥原语Mutex（互斥量），它是一个重量级锁，性能较低。当然，JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、自适应自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。

>  *  重量级锁就是独占锁，多线程之间竞争激烈，多次cas都加锁才成功或者失败只能阻塞。
>  *  轻量级锁也是一种优化，当前两个线程之间交替执行（没有竞争），获取锁的方式就是一次cas就能加锁成功。
>  *  偏向锁是一种优化，当前不存在线程竞争。

#### synchronized的字节码指令序列 ####

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Method access and property flags：

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同步方法是通过方法中的**access\_flags中设置ACC\_SYNCHRONIZED标志**来实现；同步代码块是通过**monitorenter**和**monitorexit**来实现。

#### 重量级锁实现之Monitor（管程/监视器）机制详解 ####

Monitor，直译为“监视器”，而操作系统领域一般翻译为“管程”。管程是指管理共享变量以及对共享变量操作的过程，让它们支持并发。在Java 1.5之前，Java语言提供的唯一并发语言就是管程，Java 1.5之后提供的SDK并发包也是以管程为基础的。除了Java之外，C/C++、C\#等高级语言也都是支持管程的。synchronized关键字和wait()、notify()、notifyAll()这三个方法是Java中实现管程技术的组成部分。

##### Monitor设计思路之MESA模型分析 #####

在管程的发展史上，先后出现过三种不同的管程模型，分别是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。现在正在广泛使用的是MESA模型。下面我们便介绍MESA模型：

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管程中引入了条件变量的概念，而且每个条件变量都对应有一个等待队列。条件变量和等待队列的作用是解决线程之间的同步问题。

###### wait()的正确使用姿势(防止虚假唤醒） ######

对于MESA管程来说，有一个编程范式：

java复制代码while(条件不满足) { 
        wait(); 
    }

唤醒的时间和获取到锁继续执行的时间是不一致的，**被唤醒的线程再次执行时可能条件又不满足了，所以循环检验条件。** MESA模型的wait()方法还有一个超时参数，为了避免线程进入等待队列永久阻塞。

###### notify()和notifyAll()分别何时使用 ######

满足以下三个条件时，可以使用notify()，其余情况尽量使用notifyAll()：

> 1.  所有等待线程拥有相同的等待条件；
> 2.  所有等待线程被唤醒后，执行相同的操作；
> 3.  只需要唤醒一个线程。

##### Java内置管程设计模型分析 #####

Java 参考了 MESA 模型，语言内置的管程（synchronized）对 MESA 模型进行了精简。**MESA 模型中，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量**。模型如下图所示：

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##### Monitor机制在JVM中的实现分析 #####

java.lang.Object 类定义了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，这些方法的具体实现，依赖于 ObjectMonitor 实现，这是 JVM 内部基于 C++ 实现的一套机制。

###### ObjectMonitor数据结构分析 ######

ObjectMonitor其主要数据结构如下（hotspot源码ObjectMonitor.hpp）：

C++复制代码ObjectMonitor() {
        _header       = NULL; //对象头  markOop
        _count        = 0;
        _waiters      = 0,
                _recursions   = 0;   // 锁的重入次数 
        _object       = NULL;  //存储锁对象
        _owner        = NULL;  // 标识拥有该monitor的线程（当前获取锁的线程） 
        _WaitSet      = NULL;  // 等待线程（调用wait）组成的双向循环链表，_WaitSet是第一个节点
        _WaitSetLock  = 0 ;
        _Responsible  = NULL ;
        _succ         = NULL ;
        _cxq          = NULL ; //多线程竞争锁会先存到这个单向链表中 （FILO栈结构）
        FreeNext      = NULL ;
        _EntryList    = NULL ; //存放在进入或重新进入时被阻塞(blocked)的线程 (也是存竞争锁失败的线程)
        _SpinFreq     = 0 ;
        _SpinClock    = 0 ;
        OwnerIsThread = 0 ;
        _previous_owner_tid = 0;
    }

###### 重量级锁实现原理 ######

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> 在获取锁时，是将当前线程插入到cxq的头部，而释放锁时，默认策略（QMode=0）是：如果EntryList为空，则将cxq中的元素按原有顺序插入到EntryList，并唤醒第一个线程，也就是当EntryList为空时，是后来的线程先获取锁。\_EntryList不为空，直接从\_EntryList中唤醒线程。

##### 锁升级的流程分析 #####

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**轻量级锁是否存在自旋问题分析**

错误的理解：轻量级锁加锁失败会自旋，失败一定次数后会膨胀升级为重量级锁

正确理解：**轻量级锁不存在自旋，只有重量级锁加锁失败才会自旋。重量级锁加锁失败，会多次尝试cas和自适应自旋，如果一直加锁失败，就会阻塞当前线程等待唤醒**

轻量级锁竞争没有自旋的原因其实是其设计并不是用于处理过于激烈的竞争场景，而是为了应对线程之间交替获取锁的场景。

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