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

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