Java之synchronized的JVM底层实现原理精简理解

缺乏、安全感 2021-09-23 14:36 388阅读 0赞

## 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）。**

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## 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

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁状态</th> 
   <th>25bit</th> 
   <th>4bit</th> 
   <th>1bit是否是偏向锁</th> 
   <th>2bit 锁标志位</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>无锁状态</td> 
   <td>对象HashCode</td> 
   <td>对象分代年龄</td> 
   <td>0</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Mark Word默认存储结构外，还有如下可能变化的结构

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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

## 3 synchronized作用于代码块 ##

synchronized作用代码块后反编译的字节码关键如下

3: monitorenter  //进入同步方法
    //..........省略其他  
    15: monitorexit   //退出同步方法
    16: goto          24
    //省略其他.......
    21: monitorexit //退出同步方法

从字节码中可知同步语句块的实现使用的是**monitorenter 和 monitorexit 指令**，其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置，当执行monitorenter指令时，当前线程将试图获取 objectref(即对象锁) 所对应的 monitor 的持有权，当 objectref 的 monitor 的进入计数器为 0，那线程可以成功取得 monitor，并将计数器值设置为 1，取锁成功。如果当前线程已经拥有 objectref 的 monitor 的持有权，那它可以重入这个 monitor (关于重入性稍后会分析)，重入时计数器的值也会加 1。倘若其他线程已经拥有 objectref 的 monitor 的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行线程执行完毕，即monitorexit指令被执行，执行线程将释放 monitor(锁)并设置计数器值为0 ，其他线程将有机会持有 monitor 。值得注意的是编译器将会确保无论方法通过何种方式完成，方法中调用过的每条 monitorenter 指令都有执行其对应 monitorexit 指令，而无论这个方法是正常结束还是异常结束。为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令，它就是异常结束时被执行的释放monitor 的指令

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## 4 synchronized作用于方法 ##

synchronized作用代码块后反编译的字节码关键如下

descriptor: ()V
        //方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
        Code:

JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method\_info Structure) 中的 ACC\_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。当方法调用时，调用指令将会 检查方法的 **ACC\_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有monitor（虚拟机规范中用的是管程一词）， 然后再执行方法，最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor**。如果一个同步方法执行期间抛 出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放

## 5 synchronized的优化 ##

锁的状态总共有四种，**无锁状态**、**偏向锁**、**轻量级锁**和**重量级锁**

其膨胀方向：**无锁——>偏向锁——>轻量级锁——>重量级锁**，并且膨胀方向不可逆。

1)  偏向锁:

核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能,对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，**毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁**。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁

2)  轻量级锁**:**

“**对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争**”，注意这是经验数据。需要了解的是，**轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合**，**如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁**。

3) 、重量级锁

重量级锁是由轻量级锁升级而来，当**同一时间**有多个线程竞争锁时，锁就会被升级成重量级锁，此时其申请锁带来的开销也就变大

4) 、锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，在JIT编译时，对运行上下文进行扫描，去除不可能存在竞争的锁

部分参考博客：[https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483][https_blog.csdn.net_javazejian_article_details_72828483]

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[https_blog.csdn.net_javazejian_article_details_72828483]: https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483