Java之synchronized的JVM底层实现原理精简理解(1)

简介: Java之synchronized的JVM底层实现原理精简理解(1)

1 synchronized的JVM底层原理实现的精简理解

Java 虚拟机中的synchronized基于进入和退出Monitor对象(也称为管程或监视器锁)实现, 无论是显式同步(synchronized作用在同步代码块,有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令) 还是隐式同步(synchronized作用在方法区,调用指令ACC_SYNCHRONIZED 标志)都是如此,都是使得Monitor对象里面的count计数期增加或者减少来实现,然后synchronized属于重量级锁,效率低下,因为监视器锁(monitor)是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的,而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,这也是为什么早期的synchronized效率低的原因,ReentrantLock底层实现依赖于特殊的CPU指令,比如发送lock指令和unlock指令,不需要用户态和内核态的切换,所以效率高(这里和volatile底层原理类似)。


2 Java对象头与Monitor的理解

1)Java对象的构成

在JVM中,对象在内存中的布局分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充

实例变量:类的属性数据信息,包括父类的属性信息。

填充数据:虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍,这里和C语言的结构体内存对齐还是有点不一样。

对象头:jvm中采用2个字节来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字,多出来的1个字记录的是数组长度),其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address


虚拟机位数          头对象结构                              作用

32/64bit               Mark Word                               存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息

32/64bit               Class Metadata Address         类型指针指向对象的类元数据,JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。


32位JVM的Mark Word默认存储结构如下

锁状态 25bit 4bit 1bit是否是偏向锁 2bit 锁标志位
无锁状态 对象HashCode 对象分代年龄 0 01

Mark Word默认存储结构外,还有如下可能变化的结构

20170724223902569.png


2)monitor对象

轻量级锁和偏向锁是Java 6 对 synchronized 锁进行优化后新增加,重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁,锁标识位为10,其中指针指向的是monitor对象,每个对象都存在着一个 monitor 与之关联,对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式,如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成,但当一个 monitor 被某个线程持有后,它便处于锁定状态。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,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,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 WaitSe t集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值,以便其他线程进入获取monitor(锁)

monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向),synchronized锁便是通过这种方式获取锁的,也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因,同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因

相关文章
|
2月前
|
监控 算法 Java
Java虚拟机(JVM)的垃圾回收机制深度解析####
本文深入探讨了Java虚拟机(JVM)的垃圾回收机制,旨在揭示其背后的工作原理与优化策略。我们将从垃圾回收的基本概念入手,逐步剖析标记-清除、复制算法、标记-整理等主流垃圾回收算法的原理与实现细节。通过对比不同算法的优缺点及适用场景,为开发者提供优化Java应用性能与内存管理的实践指南。 ####
|
1月前
|
监控 算法 Java
Java虚拟机(JVM)垃圾回收机制深度剖析与优化策略####
本文作为一篇技术性文章,深入探讨了Java虚拟机(JVM)中垃圾回收的工作原理,详细分析了标记-清除、复制算法、标记-压缩及分代收集等主流垃圾回收算法的特点和适用场景。通过实际案例,展示了不同GC(Garbage Collector)算法在应用中的表现差异,并针对大型应用提出了一系列优化策略,包括选择合适的GC算法、调整堆内存大小、并行与并发GC调优等,旨在帮助开发者更好地理解和优化Java应用的性能。 ####
40 0
|
13天前
|
安全 Java Kotlin
Java多线程——synchronized、volatile 保障可见性
Java多线程中,`synchronized` 和 `volatile` 关键字用于保障可见性。`synchronized` 保证原子性、可见性和有序性,通过锁机制确保线程安全;`volatile` 仅保证可见性和有序性,不保证原子性。代码示例展示了如何使用 `synchronized` 和 `volatile` 解决主线程无法感知子线程修改共享变量的问题。总结:`volatile` 确保不同线程对共享变量操作的可见性,使一个线程修改后,其他线程能立即看到最新值。
|
13天前
|
监控 Java API
探索Java NIO:究竟在哪些领域能大显身手?揭秘原理、应用场景与官方示例代码
Java NIO(New IO)自Java SE 1.4引入,提供比传统IO更高效、灵活的操作,支持非阻塞IO和选择器特性,适用于高并发、高吞吐量场景。NIO的核心概念包括通道(Channel)、缓冲区(Buffer)和选择器(Selector),能实现多路复用和异步操作。其应用场景涵盖网络通信、文件操作、进程间通信及数据库操作等。NIO的优势在于提高并发性和性能,简化编程;但学习成本较高,且与传统IO存在不兼容性。尽管如此,NIO在构建高性能框架如Netty、Mina和Jetty中仍广泛应用。
26 3
|
13天前
|
安全 Java 编译器
深入理解Java中synchronized三种使用方式:助您写出线程安全的代码
`synchronized` 是 Java 中的关键字,用于实现线程同步,确保多个线程互斥访问共享资源。它通过内置的监视器锁机制,防止多个线程同时执行被 `synchronized` 修饰的方法或代码块。`synchronized` 可以修饰非静态方法、静态方法和代码块,分别锁定实例对象、类对象或指定的对象。其底层原理基于 JVM 的指令和对象的监视器,JDK 1.6 后引入了偏向锁、轻量级锁等优化措施,提高了性能。
36 3
|
11天前
|
Rust 安全 Java
JVM原理与实现——Synchronized关键字
在多线程Java程序中,`Synchronized`关键字用于确保线程安全。本文深入探讨其工作原理,通过分析字节码`monitorenter`和`monitorexit`,解释JVM如何实现同步机制。文章展示了`Synchronized`方法的编译结果,并详细解析了轻量锁和重度锁的实现过程,包括Mark Word的状态变化及CAS操作的应用。最后简要介绍了`ObjectMonitor::enter()`函数在获取重度锁时的作用。
JVM原理与实现——Synchronized关键字
|
13天前
|
安全 算法 Java
Java CAS原理和应用场景大揭秘:你掌握了吗?
CAS(Compare and Swap)是一种乐观锁机制,通过硬件指令实现原子操作,确保多线程环境下对共享变量的安全访问。它避免了传统互斥锁的性能开销和线程阻塞问题。CAS操作包含三个步骤:获取期望值、比较当前值与期望值是否相等、若相等则更新为新值。CAS广泛应用于高并发场景,如数据库事务、分布式锁、无锁数据结构等,但需注意ABA问题。Java中常用`java.util.concurrent.atomic`包下的类支持CAS操作。
44 2
|
1月前
|
存储 监控 算法
深入探索Java虚拟机(JVM)的内存管理机制
本文旨在为读者提供对Java虚拟机(JVM)内存管理机制的深入理解。通过详细解析JVM的内存结构、垃圾回收算法以及性能优化策略,本文不仅揭示了Java程序高效运行背后的原理,还为开发者提供了优化应用程序性能的实用技巧。不同于常规摘要仅概述文章大意,本文摘要将简要介绍JVM内存管理的关键点,为读者提供一个清晰的学习路线图。
|
1月前
|
存储 监控 算法
Java虚拟机(JVM)垃圾回收机制深度解析与优化策略####
本文旨在深入探讨Java虚拟机(JVM)的垃圾回收机制,揭示其工作原理、常见算法及参数调优方法。通过剖析垃圾回收的生命周期、内存区域划分以及GC日志分析,为开发者提供一套实用的JVM垃圾回收优化指南,助力提升Java应用的性能与稳定性。 ####
|
2月前
|
机器学习/深度学习 监控 算法
Java虚拟机(JVM)的垃圾回收机制深度剖析####
本文深入探讨Java虚拟机(JVM)的垃圾回收机制,揭示其工作原理、常见算法、性能调优策略及未来趋势。通过实例解析,为开发者提供优化Java应用性能的思路与方法。 ####
54 1