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synchronized底层浅析(一)

之前说过hashMap,我们知道hashMap是一种非线程安全的集合,主要原因是它在多线程的情况下,插入、删除、扩容的时候容易导致数据丢失或者链表环

那我们也知道ConcurrentHashMap、hashTable是线程安全的,我们看hashTable的源码时,会发现源码中很多方法都是加了synchronized 关键字的 那我们今天就来分析下synchronized 关键字的使用场景及如何起作用。

使用场景:

synchronized关键字最主要有以下3种应用方式

1.修饰普通方法,作用于当前实例加锁,进入同步方法前要获得当前实例的锁

public class SynchronizedTest implements Runnable{

    static int i =0;

    public synchronized void increase(){
        System.out.println(i++);
        System.out.println("进入增加方法:"+Thread.currentThread().getName());
    }

    @Override
    public void run() {
     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"在执行");
        for(int j=0;j<10;j++){
            System.out.println("即将进入增加方法:"+Thread.currentThread().getName());
            increase();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest test1 = new SynchronizedTest();
        Thread thread1 = new Thread(test1);
        Thread thread2 = new Thread(test1);
        Thread thread3 = new Thread(test1);
        Thread thread4 = new Thread(test1);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
    }
  //结果为线程名称乱序
}

 

也就是说如果两个线程,线程A  和线程B 同时执行 对于同一个对象而言,能够同时进入非 synchronized声明的方法,但是如果这个方法中调用了 synchronized声明的方法,则将会进行线程抢占,同一时间只有一个线程能够拿到进入这个方法的锁。

这里注意:它的锁的范围是这个对象中的这个方法。

2.修饰静态方法,作用于当前类对象加锁,进入同步代码前要获得当前类对象的锁

public class SynchronizedTest implements Runnable{

    static int i =0;

    public static synchronized void increase(){
        System.out.println(i++);
        System.out.println("进入增加方法:"+Thread.currentThread().getName());
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"在执行");
        for(int j=0;j<10;j++){
            System.out.println("即将进入增加方法:"+Thread.currentThread().getName());
            increase();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedTest test1 = new SynchronizedTest();
        Thread thread1 = new Thread(test1);
        Thread thread2 = new Thread(test1);
        Thread thread3 = new Thread(test1);
        Thread thread4 = new Thread(test1);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
    }
}

 

注意:该锁对象是Class实例,因为静态方法存在于永久代,因此静态方法锁相当于该类的一个全局锁;

3.修饰代码块,指定加锁对象,对给定对象加锁,进入同步代码块前要获得给定对象的锁

public class SynchronizedTest implements Runnable{

    static SynchronizedTest synchronizedTest = new SynchronizedTest();

    static int i =0;

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"准备执行");
        for(int j=0;j<10;j++){
            System.out.println("即将进入增加方法:"+Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(1000L);
            } catch (Exception e) {

            }
            synchronized (synchronizedTest){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"执行中");
                i++;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(synchronizedTest);
        Thread thread2 = new Thread(synchronizedTest);
        Thread thread3 = new Thread(synchronizedTest);
        Thread thread4 = new Thread(synchronizedTest);
        Thread thread5 = new Thread(synchronizedTest);
        Thread thread6 = new Thread(synchronizedTest);

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        thread4.start();
        thread5.start();
        thread6.start();
    }

}

 

这种就是对进入synchronize代码块的对象加锁,也是对象锁。

我们再来看下把这些代码反编译之后出现的指令:

 我们可以看到明显的monitorenter和monitorexit命令,还有一些是在方法维度有ACC_SYNCHRONIZED

其实这个关键字是同monitorenter和monitorexit命令是一样的,当方法调用时,调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置,如果设置了,执行线程将先获取monitor,获取成功之后才能执行方法体,方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间,其他任何线程都无法再获得同一个锁。

 

我们先说下这两个命令的工作方式:

    1. monitorenter:每个对象都是一个监视器锁(monitor)。当monitor被占用时就会处于锁定状态,线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权,过程如下:

      1. 如果monitor的进入数为0,则该线程进入monitor,然后将进入数设置为1,该线程即为monitor的所有者;
      2. 如果线程已经占有该monitor,只是重新进入,则进入monitor的进入数加1;
      3. 如果其他线程已经占用了monitor,则该线程进入阻塞状态,直到monitor的进入数为0,再重新尝试获取monitor的所有权;
    2. monitorexit:执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。指令执行时,monitor的进入数减1,如果减1后进入数为0,那线程退出monitor,不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

      monitorexit指令出现了两次,第1次为同步正常退出释放锁;第2次为发生异步退出释放锁

我们先说下monitor,我们认为每个java对象都有一种天生的锁属性,那么这个锁属性是体现在哪里的呢?那我们就来看下在JVM中对象是怎么样的?

(来自于:https://www.jianshu.com/p/e62fa839aa41)

 

 

如图:

  java的对象可以分为三个部分:对象头、实例数据、对齐填充

  实例数据 中存储的就是:存放类的属性数据信息,包括父类的属性信息

  对齐信息:由于HotSpot规定对象的大小必须是8的整数倍,而对象头刚好是8的整数倍,如果对象实例数据这部分不是的话,就需要占位符对齐填充。

  最后说下最重要的对象头:对象头包含如下信息

    Mark Word(标记字段):这里包含了很多重要的信息,比如:哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等 我们把这里分为两块来说,下一次会主要讲这里因为锁状态的变化这里的改变。

    Klass Pointe(类型指针):对象指向它的类元数据的指针,JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。

    Array Length(数组长度):只有在对象是个数据的前提下才有这个信息,否则没有。

    • 普通对象包含:Mark Word、Klass Pointer
    • 数组对象包含:Mark Word、Klass Pointer、Array Length

Mark Word 这个部分在32位下是32bit,在64位下是64bit 但是不论其他结构如何,最后两位一定标识的是锁的状态,我们先观察最后这两位:

32位JVM

存储内容(30bit)锁状态(2bit)
identify_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1 (01)无锁
threadId:23 | age:4 | epoch:2 | biased_lock:1 (01)偏向锁
ptr_to_lock_record:30 (00)轻量级锁
ptr_to_heavyweight_monitor:30 (10)重量级锁
gc_info:30 (11)GC标记

64位JVM

存储内容(62bit)锁状态(2bit)
unused:25 | identify_hashcode:25 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 (01)无锁
threadId:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 (01)偏向锁
ptr_to_lock_record:62 (00)轻量级锁
ptr_to_heavyweight_monitor:62 (10)重量级锁
gc_info:62 (11)GC标记


当MarkWord锁标识位为10,其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。

在Java虚拟机(HotSpot)中,Monitor是由ObjectMonitor实现的,其主要数据结构如下(位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件,C++实现的):

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; // 处于wait状态的线程,会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 处于等待锁block状态的线程,会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

 

ObjectMonitor中有两个队列,_WaitSet 和 _EntryList,用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象 ),_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程,当多个线程同时访问一段同步代码时:

  1. 首先会进入 _EntryList 集合,当线程获取到对象的monitor后,进入 _Owner区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程,同时monitor中的计数器count加1
  2. 若线程调用 wait() 方法,将释放当前持有的monitor,owner变量恢复为null,count自减1,同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒
  3. 若当前线程执行完毕,也将释放monitor(锁)并复位count的值,以便其他线程进入获取monitor(锁)

同时,Monitor对象存在于每个Java对象的对象头Mark Word中(存储的指针的指向),

通过上面描述,我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理,Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成,其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象,这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法,否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

posted @ 2019-12-12 20:25  冯廷鑫  阅读(374)  评论(0编辑  收藏  举报