【JUC进阶】详解synchronized锁升级

素颜马尾好姑娘i 2024-03-24 11:27 76阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  1. synchronized概述
 *  2. synchronized 的实现原理
 *   *  2.1 Java对象组成
     *  2.2 Monitor
     *  2.3 从字节码角度看synchronized
 *  3. 锁升级
 *   *  3.1 偏向锁
     *  3.2 轻量级锁

## 1. synchronized概述 ##

`synchronized`是一个悲观锁，可以实现线程同步，在多线程的环境下，需在操作同步资源的时候先加锁，避免共享资源出现问题。

因为加锁可以使得一个线程在一个时间点内只有一个线程可以访问，这样增加了安全性。

但是这样却损失了程序的执行性能，因为在加锁、抢夺锁、释放锁需要从用户态切换成内核态，属于操作系统层面的，因此比较消耗性能。

于是，在JDK6之后便引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，共有4种锁状态，级别由低到高依次为：**无锁状态**、**偏向锁状态**、**轻量级锁状态**、**重量级锁状态**。这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。

![锁状态说明及升级图示][3bd69d4cba0a22216e5f9ac42ce5af30.png]

`synchronized`可以用在实例方法、静态方法、代码块上

1.  修饰**实例方法**，对当前实例对象this加锁
2.  修饰**静态方法**，对当前类的Class对象加锁
3.  修饰**代码块**，指定加锁对象，对给定对象加锁

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## 2. synchronized 的实现原理 ##

想要了解synchronized 的实现原理，就要先知道Java对象是怎么存放的。**因为synchronized不论是修饰方法还是代码块，都是通过持有修饰对象的锁来实现同步。**

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### 2.1 Java对象组成 ###

Java对象分为三部分：

1.  **对象头**，包括\*\*`Mark Word` (标记字段)\*\* 和 **`Klass Pointer`(类型指针)**
    
     *  `Mark Word`用来存储对象自身的运行时数据
     *  `Klass Point` 是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例
2.  **实例变量**，存放类的**属性数据信息，包括父类的属性信息**，这部分内存按4字节对齐
3.  **填充字节**，由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。**填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐**

![image-20230325143946906][]

Java对象有这三部分，锁就在对象的对象头`Mark Word`，`Mark Word`的结构如下，**在64位虚拟机下，MarkWord是64bit大小的，其存储结构如下所示**

![img][]

![img][img 1]

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### 2.2 Monitor ###

`Monitor`可以理解为是一个同步工具或者同步器，通常被描述为一个对象。**每一个 Java 对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者 Monitor 锁。**

`Monitor` 是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用 `monitor record` 列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个 `monitor`关联，同时 `monitor` 中有一个 `Owner` 字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。

ObjectMonitor() {
        
        _count        = 0; //记录数
        _recursions   = 0; //锁的重入次数
        _owner        = NULL; //指向持有ObjectMonitor对象的线程 
        _WaitSet      = NULL; //调用wait后，线程会被加入到_WaitSet
        _EntryList    = NULL ; //等待获取锁的线程，会被加入到该列表
    }

对于一个被`synchronized`修饰的方法和代码块来说

1.  当多个线程同时访问一个方法时，这些线程会被放入`EntryList`队列中，此时这些线程处于阻塞（Blocked）状态。
2.  当一个线程获取到了对象的`Monitor`后，就进入可运行（running）状态，执行方法，此时`ObjectMonitor`对象的`_owner`就会指向当前线程，表示当前线程获取到了锁。并且锁的计数器`_count`需要加一。
3.  当running状态的线程调用wait()方法，那么当前线程释放monitor对象，进入waiting状态，`ObjectMonitor`对象的owner变为null，count减1，同时线程进入`WaitSet`队列，直到有线程调用`notify()`方法唤醒该线程，**则该线程进入`EntryList`队列，竞争到锁再进入\_Owner区**
4.  当线程释放锁的时候，线程会释放`Monitor`对象，锁的计数器`_count`需要减一，当锁的计数器为0的时候，就会彻底释放锁。

`Monitor`对象存在于每个Java对象的对象头中，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的。

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### 2.3 从字节码角度看synchronized ###

这里有一个加锁的代码

public class Test {
        
        public int count = 0;
        public void addOne() {
        
            synchronized (this) {
        
                count++;
            }
        }
    }

将这个Java程序编译成字节码class文件

public void addOne();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=3, locals=3, args_size=1
             0: aload_0
             1: dup
             2: astore_1
             3: monitorenter // 进入同步方法
             4: aload_0
             5: dup
             6: getfield      #2                  // Field count:I
             9: iconst_1
            10: iadd
            11: putfield      #2                  // Field count:I
            14: aload_1
            15: monitorexit // 退出同步方法
            16: goto          24
            19: astore_2
            20: aload_1
            21: monitorexit // 退出同步方法
            22: aload_2
            23: athrow
            24: return
          Exception table:

可见，字节码底层是通过`monitorenter`进入同步代码块的，通过`monitorexit`指令退出同步代码块的。

而`monitorexit`指令有两个，**第一个是正常退出同步代码块的情况。第二个则是由于同步代码块出现异常而出现释放锁的情况，这种设计可以有效避免死锁。**

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## 3. 锁升级 ##

为什么会出现锁升级呢？

一开始，`synchronized`无论是大并发还是小并发都属于重量级锁，效率低下，**因为操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态**，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高。

于是，在JDK6之后，在JVM层面对`synchronized`进行了优化，为了减少锁的获取和释放所带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。也就出现了锁升级的情况。

注意，锁只可以升级但不能降级，但是偏向锁状态可以重置为无锁状态。

![img][img 2]

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### 3.1 偏向锁 ###

偏向锁的出现，是为了应对同一个线程多次获取一个锁的情况的出现，因此没有必要每次都要竞争锁，从而降低获取锁的代价。

**偏向锁的核心思想是**：如果一个线程获取到了锁，那么就进入偏向模式，此时`Mark Word`结构也变为偏向锁模式，当这个线程再次来请求获取锁，则无需在任何同步操作，直接获取锁。

加锁的时候，如果该锁对象支持偏向锁，那么Java虚拟机会通过`CAS`操作，将当前线程的地址也就是线程ID记录到对象头的标记字段，并且将标记字段的最后三位设置为101。

![在这里插入图片描述][format_png]

如果前面通过CAS加锁、解锁的时候，对比当前线程ID和Java对象头的线程ID，如果一直，就可以直接获取锁。

如果不一致，说明存在其他线程需要竞争锁对象，那么就需要查看Java对象头的记录的线程是否存活。

如果没有存活则会将锁对象重置为无锁状态，其他线程都可以竞争将其设置为偏向锁。

如果存活，那么立刻查找该线程的栈帧信息，如果还是需要继续持有这个锁对象，那么暂停当前线程，撤销偏向锁，升级为轻量级锁，如果线程1 不再使用该锁对象，那么将锁对象状态设为无锁状态，重新偏向新的线程。

![img][img 3]

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### 3.2 轻量级锁 ###

轻量级锁考虑的是竞争对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。

**轻量级锁的获取主要有两个情况**

1.  当偏向锁关闭的时候
2.  由于多个线程竞争导致偏向锁升级为轻量级锁

线程A在获取轻量级锁的时候，会先把锁对象的Mark Word复制一份给线程A的栈帧中创建的用于存储锁记录的空间(Displaced Mark Word)，然后使用CAS把对象头的内存替换成线程A存储的锁记录。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示Mark Word已经被替换成了其他线程的锁记录，说明在与其它线程竞争锁，当前线程就尝试使用自旋来获取锁。

**如果自旋次数到了线程B还没有释放锁，或者线程B还在执行，线程A还在自旋等待，这时又有一个线程C过来竞争这个锁对象，那么这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁把除了拥有锁的线程都阻塞，防止CPU空转。**

**轻量级锁的释放**  
在释放锁时，当前线程会使用CAS操作将·`Displaced Mark Word`内容复制回锁的`MarkWord`里面。如果没有发生竞争，那么这个复制的操作会成功。如果有其他线程因为自旋多次导致轻量级锁升级成了重量级锁，那么CAS操作会失败，此时会释放锁并唤醒被阻塞的线程。

![img][img 4]

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> **参考：**
> 
> 1.  [【JUC】10. synchronized与锁升级\_synchronized性能下降\_起名方面没有灵感的博客-CSDN博客][JUC_10. synchronized_synchronized_-CSDN]
> 2.  [详解Synchronized底层实现，锁升级的具体过程，与Lock的区别 - 掘金 (juejin.cn)][Synchronized_Lock_ - _ _juejin.cn]
> 3.  [synchronized四种锁状态的升级 - 掘金 (juejin.cn)][synchronized_ - _ _juejin.cn]
> 4.  [大彻大悟synchronized原理，锁的升级 - 掘金 (juejin.cn)][synchronized_ - _ _juejin.cn 1]

[3bd69d4cba0a22216e5f9ac42ce5af30.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/0de5204c23714e6396802b17602c0f37.png
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[format_png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/4b9360af46214a5d8c2241dfaeada6fa.png
[img 3]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/c333783e7c174a50ba589c5b733d7770.png
[img 4]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/24/5eba499c22cf4a53a66a0ba2fb72d379.png
[JUC_10. synchronized_synchronized_-CSDN]: https://blog.csdn.net/weixin_51146329/article/details/127482380
[Synchronized_Lock_ - _ _juejin.cn]: https://juejin.cn/post/6844904062442291208
[synchronized_ - _ _juejin.cn]: https://juejin.cn/post/6844903813665538062#heading-5
[synchronized_ - _ _juejin.cn 1]: https://juejin.cn/post/6894099621694406669#heading-13