Synchronized底层原理

简介: Synchronized底层原理

本文讲述Synchronized关键字的使用和底层原理,我们使用Synchronized主要是为了保护共享资源在多线程修改的时候,会出现相互覆盖的问题,导致数据错乱。

一.使用

synchronized关键字用在方法级别,也可以用在方法代码上,用在方法代码块或方法级别时,可以作用于对象或者类,如下所示。

//用在方法上,类级别
    public static synchronized void inc(){
        a++;
    }
    //用在方法上,对象级别
    public synchronized void inc(){
        a++;
    }
    public  void inc2(){
        System.out.println("我是java小面");
        //synchronized作用于对象
        synchronized (lock) {
            a++;
        }
    }
    public  void inc3(){
        System.out.println("我是java小面");
        //synchronized作用于类
        synchronized (SynchronizedTest.class) {
            a++;
        }
    }
}

用在方法级别时

  • 非静态方法,锁的范围是同一个对象,不同对象互不影响
  • 静态方法,锁的访问是这个类创建的所有对象,是以类级别的锁。

用在方法代码块时:

  • 作用于对象,跟方法级别时一样的效果,只是比方法级别锁的粒度更细,在日常开发中推荐这种方法,尽可能的缩小锁的访问,提升性能
  • 作用于类,锁的访问是这个类创建的所有对象,是以类级别的锁。

二.原理

接下来讲解一下Synchronized的底层原理,jdk1.6之前,Synchronized锁是用操作系统的Mutex Lock来实现的,每次加锁和解锁操作都需要用户态到内核态的切换,切换代价是十分高的,导致1.6之前Synchronized称为重量锁;1.6之后使用了各自优化,使得Synchronized锁的性能得到了很大的提升跟reentrantlock是一样的,我们来一起看一下Synchronized的优化原理吧。

锁升级

Synchronized的锁的级别:偏向锁,轻量锁,重量锁

Synchronized的锁时存储在对象头里面的,所以我们先来看一下对象内存分布:对象头+ 实例数据 + 对齐填充

对象头信息数据结构:Mark Word + 对象类型指针 + [数组长度]

Mark Word存储锁的相关信息,结构如下:


偏向锁:

偏向锁:简单来说就是把线程ID设置到mark world里,适用于只有一个线程获取锁的场景。

当一个线程Synchronized加锁是,先查看一下对象mark world的标志位是否01,是就进行CAS把线程ID设置到设置到mark world,下次进入同步块时,只需要判断一下mark world是否设置的是当前线程ID,如果是直接进入。可以看到偏向锁只需要一次CAS操作,后续同一个线程只需要判断一下,对于只有没有线程竞争的同步代码块来说,提升的性能是非常可观的。

偏向锁撤销:当有别的线程竞争进入同步代码块时,就需要把偏向锁先撤销;在安全点才会执行这个操作,安全点的时候,线程都会暂停。这时候会两种情况

  • 原线程还在执行同步代码块,将对象锁升级为轻量锁,原线程继续持有
  • 原线程不在执行同步代码块,如果允许重偏向,则会偏向锁执行新的线程;如果不允许重偏向,将锁升级为轻量锁,新线程CAS竞争轻量锁。


轻量锁:

如果Mark world锁标记不是01,就会直接进行轻量锁的竞争;或者当偏向锁已被其他线程占用时,就会把偏向锁先撤销,然后再升级为轻量锁。轻量锁是指加锁和解锁都需要一次CAS操作,对不同的线程交替获取锁的场景,不同线程获取锁时间时不会有冲突的时候,性能也是非常高的

过程:

  • ** **先把Mark world拷贝到线程的栈帧里
  • CAS操作把Mark world头设置成指向线程的栈帧的指针,设置成功就代表加锁成功
  • CAS操作把Mark world设置会原来存储的内容,设置成功代表解锁成功,否则说明有竞争,进行锁升级,升级为重量锁。

image.png


重量锁:

升级为重量锁后,获取锁是操作系统的Mutex Lock,需要进行用户态和内核态的相互切换,性能会收到很大的影响。获取不到锁的线程会阻塞等待,直到其他线程释放锁。

锁优化


自旋锁与自适应自旋:

自旋锁:当获取不到锁时,会适当的进行尝试多次获取锁,但是会占用CPU

自适应自旋:会结合上次自旋是否成功获取锁的情况,智能设置自旋次数和自旋时间,以及是否使用自旋。

锁消除:

编译器会自动把一些无用的锁消除掉,比如下面代码:

public  void unNeedlock(){
        //每次都新建一个对象,相当于没有锁,编译器会自动删除该锁
       Object o = new Object();
        synchronized (o) {
            a++;
        }
}


锁粗化:

如果一段代码连续操作都对同一个对象反复加锁和 解锁,甚至在循环体中出现了加锁操作是,那即使没有线程竞争,频繁地进行互斥同步操作也会带来性能损耗。编译器会自动把锁方位粗化到循环体外。

public  void unNeedlock2(){
        for(int i=0;i<100;i++) {
            synchronized (lock) {
                a++;
            }
        }
    }
//优化后,只需加锁和解锁一次
   public  void unNeedlock2(){
        synchronized (lock) {
            for(int i=0;i<100;i++) {
                a++;
            }
          }
    }


三.总结

我们讲解了synchronized关键字的使用和它的底层实现,怎么进行锁升级以及编译器对它的一些优化,你学会了吗?

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