Synchronized之三：实现原理

一、Java源代码级别

synchronized(对象)

字节码层级

使用idea插件jclasslib插件查看字节码，我们以之前代码为例

在字节码层面是以monitorenter作为开始锁的开始，以moniterexit作为结束。

汇编级别

我们使用hsdis工具对Java源码进行反编译为汇编代码

public class SynchronizedTest {

    private static int c;

    public static synchronized void sync() {
    }

    public static void noSynchronized() {
        int a = 1;
        int b = 2;
        c = a + b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int j = 0; j < 1000_000; j++) {
            sync();
            noSynchronized();
        }
    }
}

  0x00000001195d2e4e: lock cmpxchg %r11,(%r10)
  0x00000001195d2e53: je     0x00000001195d2da0
  0x00000001195d2e59: mov    %r13,(%rsp)
  0x00000001195d2e5d: movabs $0x79578d830,%rsi  ;   {oop(a 'java/lang/Class' = 'com/example/demo/SynchronizedTest')}
  0x00000001195d2e67: lea    0x10(%rsp),%rdx
  0x00000001195d2e6c: data32 xchg %ax,%ax
  0x00000001195d2e6f: callq  0x0000000119525860  ; OopMap{off=404}
                                                ;*synchronization entry
                                                ; - com.example.demo.SynchronizedTest::sync@-1 (line 11)

我们看到了开篇提到的lock cmpxchg这条汇编命令，结论是synchronized底层也是使用cas的方式来实现锁。

二、对象头、Mark Word、monitor、synchronized怎么关联起来？

知道了java里面有synchronized这个关键字，是用来加锁的，但是它底层是怎么加锁的我一直没搞明白。大概知道是通过一个monitor监视器还有什么monitorenter、monitorexit这两条执行来进行加锁和释放锁的。现在讲讲具体实现的细节

（1）首先java里面每个对象JVM底层都会为它创建一个监视器monitor，这个是JVM层次为我们保证的。这个监视器就类似一个锁，哪个线程持有这个monitor的操作权，就相当于获取到了锁
（2）其次synchronized 修饰的代码或者方法，底层会生成两条指令分别为monitorenter、monitorexit。
（3）进入synchronized的代码块之前会执行monitorenter指令，去申请monitor监视器的操作权，如果申请成功了，就相当于获取到了锁。
如果已经有别的线程申请成功monitor了，这个时候它就得等着，等别的线程执行完synchronized里面的代码之后就会执行monitorexit指令释放monitor监视器，这样其它在等待的线程就可以再次申请获取monitor监视器了。

monitor又是个啥东西？为什么monitor能当做锁？首先既然你知道每个对象都有一个monitor监视器，那你知道每个对象是怎么和它的monitor监视器关联起来的不？

通过synchronized进行加锁，就是通过对象头的Mark Word关联起来的，里面记录着锁状态和占有锁的线程地址指针，详情见《java对象在内存中的结构（HotSpot虚拟机）》

当Mark Word中最后两位的锁标志位是10的时候，Mark Word的前面是monitor监视器的地址，我现在就给你画出来对象头、Mark Word 和 monitor之间的关系图(32位）：

三、monitor内部结构

monitor叫做对象监视器、也叫作监视器锁，JVM规定了每一个java对象都有一个monitor对象与之对应，这monitor是JVM帮我们创建的，在底层使用C++实现的。

其实monitor在底层也是某个类的对象，那个类就是ObjectMonitor，它拥有的属性也字段如下：

ObjectMonitor() {
_header;
_count ;  // 非常重要，表示锁计数器，_count = 0表示还没人加锁，_count > 0 表示加锁的次数
_waiters;
_recursions;
_owner; // 非常重要，指向加锁成功的线程，_owner = null 时候表示没人加锁
_waitset;  // wait线程的集合，在synchorized代码块中调用wait()方法的线程会被加入到此集合中沉睡，等待别人叫醒它
_waitsetLock;
_responsiable;
_succ;
_cxq;
_freenext;
_entrylist;  // 非常重要，等待队列，加锁失败的线程会被加入到这个等待队列中，等待再次争抢锁
_spinFreq;  // 获取锁之前的自旋的次数
   _spinclock; // 获取之前每次锁自旋的时间
ownerIsThread;
}

3.1、monitor加锁原理

_count : 这个属性非常重要，直接表示有没有被加锁，如果没被线程加锁则 _count=0，如果_count大于0则说明被加锁了
_owner：这个属性也非常重要，直接指向加锁的线程，比如线程A获取锁成功了，则_owner = 线程A；当_owner = null的时候表示没线程加锁
_waitset：当持有锁的线程调用wait()方法的时候，那个线程就会释放锁，然后线程被加入到monitor的waitset集合中等待，然后线程就会被挂起。只有有别的线程调用notify将它唤醒。
_entrylist：这个就是等待队列，当线程加锁失败的时候被block住，然后线程会被加入到这个entrylist队列中，等待获取锁。
_spinFreq：获取锁失败前自旋的次数；JDK1.6之后对synchronized进行优化；原先JDK1.6以前，只要线程获取锁失败，线程立马被挂起，线程醒来的时候再去竞争锁，这样会导致频繁的上下文切换，性能太差了。
JDK1.6后优化了这个问题，就是线程获取锁失败之后，不会被立马挂起，而是每个一段时间都会重试去争抢一次，这个_spinFreq就是最大的重试次数，也就是自旋的次数，如果超过了这个次数抢不到，那线程只能沉睡了。
_spinClock：上面说获取锁失败每隔一段时间都会重试一次，这个属性就是自旋间隔的时间周期，比如50ms，那么就是每隔50ms就尝试一次获取锁。

下面通过图文展示加锁过程：

（1）首先呢，没有线程对monitor进行加锁的时候是这样的：

说明：_count = 0 表示加锁次数是0，也就是没线程加锁；_owner 指向null，也就是没线程加锁
（2）然后呢，这个时候线程A、线程B来竞争加锁了，如下图所示：

（3）线程A竞争到锁，将_count 修改为1，表示加锁次数为1，将_owner = 线程A，也就是指向自己，表示线程A获取到了锁。
在_count = 0，_owner = null的时候，表示monitor没人加锁，这个时候线程A和线程B同时请求加锁，也就是竞争将_count改为1。
由于线程A这哥们动作比较快，它将_count改为1，获取锁成功了。它还嘚瑟了一下，同时将_onwer = 线程A，表示自己获取了锁，告诉线程B，兄弟不好意思了，是我获取了锁，我先去操作了。

既然加锁就是将_count 设置为1，同时将_owner 指向自己。那反过来推测，释放锁的时候是不是将_count 设置为 0 , 将 _owner 设置为 null 就 OK了？是的，释放锁的过程就是这么简单：

加锁和释放锁说完了，我们接下来将的是_spinFreq、_spinclock、_entrylist这几个东西：
上面解释字段属性的时候说_spinFreq是等待锁期间自旋的次数、_spinclock是自旋的周期也就是每次自旋多久时间、_entrylist这个就是自旋次数用完了还没获取锁，只能放到_entrylist等待队列挂起了。
让我们继续接着图来讲：

（1）首先线程B获取锁的时候发现monitor已经被线程A加锁了
（2）然后monitor里面记录的_spinFreq 、spinclock 信息告诉线程B，你可以每隔50ms来尝试加锁一次，总共可以尝试10次
（3）如果线程B在10次尝试加锁期间，获取锁成功了，那线程B将_count 设置为 1，_owner 指向自己表示自己获取锁成功了
（4）如果10次尝试获取锁此时都用完了，那没辙了，它只能放到等待队列里面先睡觉去了，也就是线程B被挂起了

_spinFreq和_spinclock 这两个monitor的属性主要是让线程自旋的时候使用的吧。
entryList作用是当线程自旋次数都用完了之后，只能进入等待队列进行休眠了。

为啥线程B请求失败之后不直接进入队列挂起？而是要自旋之后再次尝试获取锁？

为啥不是一直自旋然后尝试获取锁，而是要设置一个最大尝试次数？

3.2、自旋优化

自旋优化，其实跟jvm获取monitor锁的优化有关，有什么好处:
（1）首先跟你说下，线程挂起之后唤醒的代价很大，底层涉及到上下文切换，用户态和内核态的切换，我打个比方可能最少耗时3000ms这样，这只是打个比方哈
（2）线程A获取了锁，这个时候线程B获取失败。按照上面自旋的数据_spinclock = 50ms（每次自旋50ms），_spinFreq = 10（最多10次自旋）
（3）假如线程A使用的时间很短，比如只使用150ms的时间；那么线程B自旋3次后就能获取到锁了，也就花费了150ms左右的时间，相比于挂起之后唤醒最少花费3000ms的时间，是不是大大减少了等待时间啊......，这也就提高了性能了。
（4）如果不设置自旋的次数限制，而是让它一直自旋。假如线程A这哥们耗时特别的久，比如它可能在里面搞一下磁盘IO或者网络的操作，花了5000ms！。
那线程B可不能在那一直自旋着等着它吧，毕竟自旋可是一直使用CPU不释放CPU资源的，CPU这时也在等着不能干别的事，这可是浪费资源啊，所以啊自旋次数也是要有限制的，不能一直等着，否则CPU的利用率大大被降低了。
所以在10次自旋之后，也就是500ms之后，还获取失败，那就把自己挂起，释放CPU资源咯。

举个例子：假如有两个人要上厕所，但是只有一个坑位，线程A去得比较早，先把坑位给占了：
（1）假如线程A加锁了，它只是上了个小厕所，用了150ms就完成了；然后线程B尝试几次之后就能获取成功了

（2）但是如果线程A拉肚子了，这家伙在里面蹲了一个多小时，线程B尝试了10次之后，发现坑还是没有空的。这个时候线程B发现自己还有好多代码没写，害~，不等了，先释放CPU去写写代码，待会再来看看......

3.3、wait和notify

说起monitor里面的waitset，上面讲的就是一个集合。这个waitset集合存放的就是调用wait方法陷入而沉睡的线程。

必须是当线程获取锁之后，才能调用wait()方法，然后此时释放锁，将_count恢复为0，将_owner指向 null，然后将自己加入到waitset集合中，等待别人调用notify或者notifyAll将其中waitset的线程唤醒。

notify和notifyAll有啥区别啊？

简单说就是notify就是从waitset中随机挑一个线程来唤醒，只唤醒一个。notifyAll这方法就是将waitset中所有等着的线程全部唤醒了

示例：
线程A执行如下代码：

synchronized(this) {
    if (某个条件) {
        wait();
    }
}

线程B执行如下代码：

synchronized(this) {
    // 某些业务逻辑
    ......
    notify();
}

下面画个图来说一下：

（1）首先啊还是线程A这哥们动作比较快，先获取到了锁。
（2）然后线程A发现条件不满足，想了想，算了，我先释放锁，睡个觉，等条件满足了，别人再唤醒我，岂不是美滋滋。于是释放了锁，睡觉去了
（3）然后线程B自己可以加锁了，执行了一些业务逻辑，然后去调用notify方法唤醒线程A，嘿兄弟，别睡了，到你了...
（4）线程A醒来之后，还是要再去去竞争锁的，也就是醒来之后还要竞争将_count修改为1，竞争_owner指向自己，毕竟它还在synchronized代码块内部嘛，只有获取锁之后才能执行synchronized代码块的代码。
所以只有它再次获取到锁了之后，才会执行代码块内部的逻辑。也即是wait和notify的原理了，也知道为啥要结合synchronized一起使用了，因为waitset集合是monitor对象的一个属性，所以调用之前必须要获取到monitor对象的操作权限，也就是获取到锁，notify要操作waitset也是一样。所以wait和notify方法之后在获取了锁之后才能调用的，所以才需要写在synchronized方法块的内部啊，进入synchronized获取锁了之后才能执行。

3.4、wait和sleep的区别

wait() 和 Thread.sleep()的区别，说wait()会释放锁，而Thread.sleep()不释放锁，

wait：

synchronized(this) {
    // 这个时候线程释放锁，然后将自己放入monitor的waitset队列，
    // 等待别人调用notify/notifyAll将唤醒
    wait();
}

sleep:

synchronized(this) {
    // 这种情况不释放锁，就是睡个500ms然后醒来持有锁继续干活
    Thread.sleep(500);
}

四、synchronized的锁重入、锁优化、和锁升级的原理

4.1、synchronized锁重入

所谓锁重入，就是支持正在持有锁的线程支持再次获取锁，不会出现自己锁死自己的问题。

比如：

synchronized(this) {
    synchronized(this){
        synchronized(this){
            synchronized(this){
                synchronized(this){
                    ........
                }
            }
        }
    }
}

可能对应下面的指令：

monitorenter 
    monitorenter
        monitorenter
            monitorenter
                monitorenter
                ......
                monitorexit
            monitorexit
        monitorexit
    monitorexit
monitorexit

回顾之前讲的加锁就是将_count 由 0 设置为1，将_owner指向自己，这里的_owner指向加锁的线程。
（1）所以再次重入加锁执行monitorenter指令的时候，发现有人加锁了，同时检查_owner加锁的线程是不是自己的，如果是自己加锁的，只需要将_count 次数加1即可。

（2）同样，在释放锁的时候执行monitorexit指令，首先将_count进行减1，当_count 减少到0的时候表示自己释放了锁，然后将_owner 指向null。
所以，根据上诉锁重入的方式，代码进入了5次synchronized 相当于执行了5次monitorenter加锁，最后_count = 5。当5次monitorexit执行完了之后，_count = 0即释放了锁。

4.2、synchronized锁消除

锁消除，这个也很简单，就是在不存在锁竞争的地方使用了synchronized，jvm会自动帮你优化掉，比如说下面的这段代码：

public void business() {
    // lock对象方法内部创建，线程私有的，根本不会引起竞争
    Object lock = new Object();
    synchronized(lock) {
         i++;
         j++;
         // 其它业务操作
    }
}

上面的这段代码，由于lock对象是线程私有的，多个线程不会共享；像这种情况多线程之间没有竞争，就没必要使用锁了，就有可能被JVM优化成以下的代码：

public void business() {
    i++;
    j++;
    // 其它业务操作
}

示例2：

public void add(String str1,String str2){
         StringBuffer sb = new StringBuffer();
         sb.append(str1).append(str2);
}

我们都知道 StringBuffer 是线程安全的，因为它的关键方法都是被 synchronized 修饰过的，但我们看上面这段代码，我们会发现，sb 这个引用只会在 add 方法中使用，不可能被其它线程引用（因为是局部变量，栈私有），因此 sb 是不可能共享的资源，JVM 会自动消除 StringBuffer 对象内部的锁。

这就是我理解的锁消除，只有一个线程会用到，不会引起多个线程竞争的；相当于就自己用，没必要加锁了。

4.3、synchronized锁升级

synchronized为什么要设计成可升级的锁呢？我理解的就是希望能尽量花费最小的代价能达到目的。是这个理由没错；但是你知道synchronized在什么锁的情况下花费什么代价吗？以及每次升级之后花费了什么代价吗？说这个之前，我先给你看一下前两章都讲解过Mark Word的图，我们再来回顾一下：

之前我们说过，Mark Word是一个32bit/64位的数据结构，最后两位表示的是锁标志位，当Mark Word的锁标志位不同的时候，代表Mark Word 中记录的数据不一样。
（1）比如锁模式标志位是，也就是最后两位是01的时候，表示处于无锁模式或者偏向锁模式。

无锁：如果此时偏向锁标志，倒数第3位，是0，即最后3位是001，表示当前处于无锁模式，此时Mark Word就常规记录对象hashcode、GC年龄信息。
偏向锁：倒数第3位是1，即Mark word最后3位是101，则表示当前处于偏向锁模式，那么Mark Word就记录者获取了偏向锁的线程ID、对象的GC年龄。

（2）轻量级锁：当锁模式标志位是00的时候，表示当前处于轻量级锁模式，此时会生成一个轻量级的锁记录，存放在获取锁的线程栈空间中，Mark Word此时就存储者这个锁记录的地址。
　　Mark Word存储的地址在哪个线程的栈空间中，就表示哪个线程获取到了轻量级锁。
（3）重量级锁：当锁模式标志位是10的时候，表示当前处于重量级锁模式，此时加锁就不是Mark Word的责任了，需要找monitor锁监视器，这个上一章我们已经讲解monitor加锁的原理了。
　　此时Mark Word就记录了一下monitor的地址，然后有线程找Mark Word的时候，Mark Word就把monitor地址给它，告诉线程自个根据这个地址找monitor进行加锁。

4.4、synchronized偏向锁

如果上表格所示，当有线程第一次进入synchronized的同步代码块之内，发现：

Mark Word的最后三位是001，表示当前无锁状态，说明锁的这时候竞争不激烈啊。
于是选择代价最小的方式，加了个偏向锁，只在第一次获取偏向锁的时候执行CAS操作（将自己的线程Id通过CAS操作设置到Mark Word中），同时将偏向锁标志位改为1。
后面如果自己再获取锁的时候，每次检查一下发现自己之前加了偏向锁，就直接执行代码，就不需要再次加锁了。

加了偏向锁的人确实是个自私的人，这家伙用完了锁之后，自己加锁时候修改过的Mark Word信息都不会再改回来了，也就是它不会主动释放锁。

线程A不释放锁，如果它用完了，别人这个时候需要进入synchronized代码块怎么办？你说的这个问题啊，其实JVM的设计者也考虑到了，这就涉及到一个重偏向的问题。

4.5、偏向锁之重偏向

线程B去申请加锁，发现是线程A加了偏向锁；这时候回去判断一下线程A是否存活，如果线程A挂了，就可以重新偏向了，重偏向也就是将自己的线程ID设置到Mark Word中。
如果线程A没挂，但是synchronized代码块执行完了，这个时候也可以重新偏向了，将偏向标识指向自己，轮到我了，哈哈。

线程A用完了这家伙不把Mark Word标识改回来；没关系啊，线程B判断线程A没在synchronized同步代码块了，就执行重新偏向了。我还有个问题，就是如果线程B在申请获取锁的时候，线程A这哥们还没执行完synchronized同步代码块怎么办？这个时候就有锁的竞争了，这就需要将锁升级一下了，线程B就会把锁升级为轻量级锁。

4.5.2、偏向锁为什么要升级为轻量级锁？

// 代码块1
synchronized(this){
  // 业务代码1
}
// 代码块2
synchronized(this){
  // 业务代码2
}
// 代码块3
synchronized(this){
  // 业务代码3
}
// 代码块4
synchronized(this){
  // 业务代码4
}

假如这个时候有线程A、B、C、D四个线程，线程A先加了偏向锁。之前讲过偏向锁只是在第一次获取锁的时候加锁，后面都是直接操作的不需要加锁。
这个时候其它几个线程B、C、D想要加锁，如果线程A连续执行上面4个代码块，那么其他线程看到线程A都在执行synchronized同步代码块，没完没了了，想重偏向都不行。
这个时候就需要等线程A执行完4个synchronized代码块之后才能获取锁啊，哈哈，别的线程都只能看线程A一个人自己在那表演了，这样代码就变成串行执行了。
多个线程竞争锁的时候为什么要升级明白了吧？下面我们进入锁升级的第一个级别，轻量级锁，讲之前，先回顾之前将的一个知识点：

4.6、轻量级锁

轻量级锁模式下，加锁之前会创建一个锁记录，然后将Mark Word中的数据备份到锁记录中（Mark Word存储hashcode、GC年龄等很重要数据，不能丢失了），以便后续恢复Mark Word使用。
这个锁记录放在加锁线程的虚拟机栈中，加锁的过程就是将Mark Word 前面的30位指向锁记录地址。所以mark word的这个地址指向哪个线程的虚拟机栈中，就说明哪个线程获取了轻量级锁。
就好比下面的图，线程A获取了轻量级锁，锁记录存在线程A的虚拟机栈中，然后Mark Word的前面30位存储锁记录的地址。

了解了轻量级加锁的原理之后，我们继续，来讲讲偏向锁升级为轻量级锁的过程：

（1）首先线程A持有偏向锁，然后正在执行synchronized块中的代码
（2）这个时候线程B来竞争锁，发现有人加了偏向锁并且正在执行synchronized块中的代码，为了避免上述说的线程A一直持有锁不释放的情况，需要对锁进行升级，升级为轻量级锁
（3）先将线程A暂停，为线程A创建一个锁记录Lock Record，将Mark Word的数据复制到锁记录中；然后将锁记录放入线程A的虚拟机栈中
（4）然后将Mark Word中的前30位指向线程A中锁记录的地址，将线程A唤醒，线程A就知道自己持有了轻量级锁

4.6.2、在轻量级锁模式下，多线程是怎么竞争锁和释放锁的？

（1）线程A和线程B同时竞争锁，在轻量级锁模式下，都会创建Lock Record锁记录放入自己的栈帧中
（2）同时执行CAS操作，将Mark Word前30位设置为自己锁记录的地址，谁设置成功了，锁就获取到锁

上面讲了加锁的过程，轻量级锁的释放很简单，就将自己的Lock Record中的Mark Word备份的数据恢复回去即可，恢复的时候执行的是CAS操作将Mark Word数据恢复成加锁前的样子。

4.7、重量级锁的自旋

在轻量级锁模式下获取锁失败的线程应该会怎么样？获取锁失败的线程应该会再去尝试吧？或者直接沉睡等待别人释放锁的时候将它唤醒？
两种其实都有可能，但是你觉得哪种花销会更小一点？
线程沉睡花费代价更大吧，这涉及到上下文切换，操作系统层次涉及到用户态转内核态，是一个非常重的操作。
既然线程沉睡和唤醒代价这么大，所以肯定是不会让线程轻易就沉睡的；
比如说线程沉睡再唤醒最少需要3000ms的时间，如果某个线程只使用锁150ms的时间就释放了，如果直接采用沉睡方式的话，这个时候synchronized的性能就太差了。
所以啊JVM的设计者，设计了一种方案，获取锁失败之后的线程自己先原地等一段时间，然后再去重试获取锁，这种方式就叫做自旋。但是JVM怎么知道要等多久呢，加入持有锁的那个人一直不释放锁，其他人要一直自旋等待，然后不断重复尝试吗？这样不是非常消耗CPU的资源的吗？
这里自旋多少次是有一个限制的，之前我们讲解monitor的底层原理的时候就讲解过了，如果忘记的话可以回去重新看一下。monitor有一个_spinFreq参数表示最大自旋的次数，_spinClock参数表示自旋的间隔时间。所以自旋最多会重试_spinFreq次。
每次失败之后等_spinClock的时间过后再去重试，如果尝试_spinFreq次之后都没有成功，那没辙了，只能沉睡了。

自旋其实是非常消耗CPU资源的，自旋期间相当于CPU啥也不干，就在那等着的。为了避免自旋时间太长，所以JVM就规定了默认最多自旋10次，10次还获取不到锁，那就直接将线程挂起了，线程就会直接阻塞等待了，这个时候性能就差了。

4.8、锁粗化 lock coarsening

public String test(String str){
       int i = 0;
       StringBuffer sb = new StringBuffer():
       while(i < 100){
           sb.append(str);
           i++;
       }
       return sb.toString():
}

JVM 会检测到这样一连串的操作都对同一个对象加锁（while 循环内 100 次执行 append，没有锁粗化的就要进行 100 次加锁/解锁），此时 JVM 就会将加锁的范围粗化到这一连串的操作的外部（比如 while 虚幻体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。

参考：https://mp.weixin.qq.com/s/jOd9tcqG8qnuoATZo8gFAw

posted on 2015-05-11 14:03 duanxz 阅读(5993) 评论(1) 编辑收藏举报