【Java 并发】【六】【synchronized】【一】synchronized底层是怎么通过monitor进行加锁的
1 前言
之前我们说过对象头的信息,这节我们就来看看synchronized是怎么通过monitor进行重量级加锁。
2 内容回顾
我们先来回顾下Mark Word的内容:
当Mark Word的最后两位的锁标志位是10的时候,Mark Word这哥们说自己处于重量级锁的模式,重量级加锁不是它的责任,是monitor的责任。它作为mark word记录的数据是monitor的地址,让我们自己去找monitor去进行加锁。
其中非常重要的就是当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:
3 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;
}
4 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。
下面我们通过图解这些属性是怎么进行加锁的:
(1)首先呢,没有线程对monitor进行加锁的时候是这样的:
_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。
那monitor的其它属性是用来干啥的?我们继续来看:
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。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
5 自旋优化
大家在看上图的时候,可能会有疑问为啥线程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?其实跟jvm获取monitor锁的优化有关,我们来看看:
(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......
![](https://img2023.cnblogs.com/blog/990230/202304/990230-20230402203737766-305269078.png)
6 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。
这里我们先了解一下notify和notifyAll的区别: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。
我们结合场景来了解下具体的原理:
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。
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。
7 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); }
8 小结
这节我们详细了解了下synchronized底层是怎么通过monitor进行加锁的,有理解不对的地方,欢迎指正哈。