并发：synchronized的实现原理与应用。

旧城等待， 2024-02-19 13:37 63阅读 0赞

先来看下利用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。

*  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Synchonized括号里配置的对象。

当一个线程试图访问同步代码块时，他首先必须得到锁，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？

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，他将处于锁定状态。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的对象头 ##

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）存储对象头，如果对象是非数组类型，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，如下所示。

<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（如果当前对象是数组）</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark Word的默认存储结果如下所示。

<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。Mark Word可能变化为存储以下4种数据，如下所示。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁状态</th> 
   <th colspan="2">25bit</th> 
   <th colspan="2">4bit</th> 
   <th>1bit</th> 
   <th>2bit</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <th>23bit</th> 
   <th>2bit</th> 
   <th>是否是偏向锁</th> 
   <th>锁标志位</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>轻量级锁</td> 
   <td colspan="5">指向栈中锁记录的指针</td> 
   <td>00</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>重量级锁</td> 
   <td colspan="5">指向互斥量（重量级锁）的指针</td> 
   <td>10</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>GC标记</td> 
   <td colspan="5">&nbsp;</td> 
   <td>11</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>偏向锁</td> 
   <td colspan="2">线程ID</td> 
   <td>Epoch</td> 
   <td>对象分代年龄</td> 
   <td>1</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结果如下所示。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁状态</th> 
   <th>24bit</th> 
   <th>31bit</th> 
   <th>1bit</th> 
   <th>4bit</th> 
   <th>1bit</th> 
   <th>2bit</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <th>&nbsp;</th> 
   <th>&nbsp;</th> 
   <th>cms_free</th> 
   <th>分代年龄</th> 
   <th>偏向锁</th> 
   <th>锁标志位</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>无锁</td> 
   <td>unused</td> 
   <td>hashCode</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>0</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>偏向锁</td> 
   <td colspan="2">ThreadID(54bit) Epoch(2bit)</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>1</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 锁的升级与对比 ##

JavaSE 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4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。这种锁升级都不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

### 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中偏向锁的标识是否设置成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。

#### 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）。他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。

#### 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。

### 轻量级锁 ###

#### 轻量级加锁 ####

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。

#### 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。

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阻塞住了），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。

## 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>如果线程见存在锁竞争，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> <p>追求响应时间</p> <p>同步块执行速度非常快</p> </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> <p>追求吞吐量</p> <p>同步块执行速度较长</p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>