synchronized 的超多干货!(二)

简介: synchronized 这个关键字的重要性不言而喻,几乎可以说是并发、多线程必须会问到的关键字了。synchronized 会涉及到锁、升级降级操作、锁的撤销、对象头等。所以理解 synchronized 非常重要,本篇文章就带你从 synchronized 的基本用法、再到 synchronized 的深入理解,对象头等,为你揭开 synchronized 的面纱。

锁的两个列表

当多个线程同时访问某段同步代码时,首先会进入 _EntryList 集合,当线程获取到对象的 monitor 之后,就会进入 _Owner 区域,并把 ObjectMonitor 对象的 _Owner 指向为当前线程,并使 _count + 1,如果调用了释放锁(比如 wait)的操作,就会释放当前持有的 monitor ,owner = null, _count - 1,同时这个线程会进入到 _WaitSet 列表中等待被唤醒。如果当前线程执行完毕后也会释放 monitor 锁,只不过此时不会进入 _WaitSet 列表了,而是直接复位 _count 的值。

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Klass Pointer 表示的是类型指针,也就是对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

你可能不是很理解指针是个什么概念,你可以简单理解为指针就是指向某个数据的地址。

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实例数据 Instance Data

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是代码中定义的各个字段的字节大小,比如一个 byte 占 1 个字节,一个 int 占用 4 个字节。

对齐 Padding

对齐不是必须存在的,它只起到了占位符(%d, %c 等)的作用。这就是 JVM 的要求了,因为 HotSpot JVM 要求对象的起始地址必须是 8 字节的整数倍,也就是说对象的字节大小是 8 的整数倍,不够的需要使用 Padding 补全。

锁的升级流程

先来个大体的流程图来感受一下这个过程,然后下面我们再分开来说

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无锁

无锁状态,无锁即没有对资源进行锁定,所有的线程都可以对同一个资源进行访问,但是只有一个线程能够成功修改资源。

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无锁的特点就是在循环内进行修改操作,线程会不断的尝试修改共享资源,直到能够成功修改资源并退出,在此过程中没有出现冲突的发生,这很像我们在之前文章中介绍的 CAS 实现,CAS 的原理和应用就是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁,但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

偏向锁

HotSpot 的作者经过研究发现,大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,还存在锁由同一线程多次获得的情况,偏向锁就是在这种情况下出现的,它的出现是为了解决只有在一个线程执行同步时提高性能。

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可以从对象头的分配中看到,偏向锁要比无锁多了线程IDepoch,下面我们就来描述一下偏向锁的获取过程

偏向锁获取过程

  1. 首先线程访问同步代码块,会通过检查对象头 Mark Word 的锁标志位判断目前锁的状态,如果是 01,说明就是无锁或者偏向锁,然后再根据是否偏向锁 的标示判断是无锁还是偏向锁,如果是无锁情况下,执行下一步
  2. 线程使用 CAS 操作来尝试对对象加锁,如果使用 CAS 替换 ThreadID 成功,就说明是第一次上锁,那么当前线程就会获得对象的偏向锁,此时会在对象头的 Mark Word 中记录当前线程 ID 和获取锁的时间 epoch 等信息,然后执行同步代码块。

全局安全点(Safe Point):全局安全点的理解会涉及到 C 语言底层的一些知识,这里简单理解 SafePoint 是 Java 代码中的一个线程可能暂停执行的位置。

等到下一次线程在进入和退出同步代码块时就不需要进行 CAS 操作进行加锁和解锁,只需要简单判断一下对象头的 Mark Word 中是否存储着指向当前线程的线程ID,判断的标志当然是根据锁的标志位来判断的。如果用流程图来表示的话就是下面这样

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关闭偏向锁

偏向锁在Java 6 和Java 7 里是默认启用的。由于偏向锁是为了在只有一个线程执行同步块时提高性能,如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态,可以通过JVM参数关闭偏向锁:-XX:-UseBiasedLocking=false,那么程序默认会进入轻量级锁状态。

关于 epoch

偏向锁的对象头中有一个被称为 epoch 的值,它作为偏差有效性的时间戳。

轻量级锁

轻量级锁是指当前锁是偏向锁的时候,资源被另外的线程所访问,那么偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁,不会阻塞,从而提高性能,下面是详细的获取过程。

轻量级锁加锁过程

  1. 紧接着上一步,如果 CAS 操作替换 ThreadID 没有获取成功,执行下一步
  2. 如果使用 CAS 操作替换 ThreadID 失败(这时候就切换到另外一个线程的角度)说明该资源已被同步访问过,这时候就会执行锁的撤销操作,撤销偏向锁,然后等原持有偏向锁的线程到达全局安全点(SafePoint)时,会暂停原持有偏向锁的线程,然后会检查原持有偏向锁的状态,如果已经退出同步,就会唤醒持有偏向锁的线程,执行下一步
  3. 检查对象头中的 Mark Word 记录的是否是当前线程 ID,如果是,执行同步代码,如果不是,执行偏向锁获取流程 的第2步。

如果用流程表示的话就是下面这样(已经包含偏向锁的获取)

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