synchronized锁使用方式和实现原理

拼搏现实的明天。 2023-10-06 16:49 124阅读 0赞

#### 前言 ####

在java开发中,锁是我们常用的一种处理并发问题的方式.面试的时候 也会被问道锁的使用,和实现原理.

##### 1. synchronized #####

synchronized是java的一个关键字,它是jvm层上的,加锁方式有 方法锁，对象锁synchronized(this)，类锁synchronized(Demo.Class)  
它的用法有

1.  普通同步方法，锁是当前实例对象
2.  静态同步方法，锁是当前类的class对象
3.  同步方法块，锁是括号里面的对象

**synchronized 锁是怎么实现的?**  
下面我们可以用3个问题来看这个实现

1.synchronized是如何实现锁?

2.为什么任何一个对象都可以成为锁?

3.锁存在哪个地方？

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。

根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要去尝试获取对象的锁，如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1；相应地，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器被减到0时，锁就释放了。如果获取对象锁失败了，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另一个线程释放为止。

**注意两点：**

1、synchronized同步快对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；  
2、同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。

**jdk1.6以后对synchronized锁进行了优化，包含偏向锁、轻量级锁、重量级锁：**  
　　锁的级别从低到高逐步升级  
　　无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁  
　　　  
　　　　在了解synchronized锁之前，我们需要了解两个重要的概念，一个是对象头、另一个是monitor。

**Java对象头：**

在Hotspot虚拟机中，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；Java对象头是实现synchronized的锁对象的基础，一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里。它是轻量级锁和偏向锁的关键

**Mawrk Word：**

Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等。Java对象头一般占有两个机器码（在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节，也就是32bit），下面就是对象头的一些信息：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk3NTc3MQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**说下锁的类型:**

**乐观锁：**

乐观锁是一种乐观思想，即认为读多写少，遇到并发写的可能性低，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，采取在写时先读出当前版本号，然后加锁操作（比较跟上一次的版本号，如果一样则更新），如果失败则要重复读-比较-写的操作。java中的乐观锁基本都是通过CAS操作实现的，CAS是一种更新的原子操作，比较当前值跟传入值是否一样，一样则更新，否则失败。

**悲观锁：**

悲观锁是就是悲观思想，即认为写多，遇到并发写的可能性高，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在读写数据的时候都会上锁，这样别人想读写这个数据就会block直到拿到锁。java中的悲观锁就是Synchronized,AQS框架下的锁则是先尝试cas乐观锁去获取锁，获取不到，才会转换为悲观锁，如RetreenLock。

**自旋锁（CAS）：**

自旋锁就是让不满足条件的线程等待一段时间，而不是立即挂起。看持有锁的线程是否能够很快释放锁。怎么自旋呢？其实就是一段没有任何意义的循环。虽然它通过占用处理器的时间来避免线程切换带来的开销，但是如果持有锁的线程不能在很快释放锁，那么自旋的线程就会浪费处理器的资源，因为它不会做任何有意义的工作。所以，自旋等待的时间或者次数是有一个限度的，如果自旋超过了定义的时间仍然没有获取到锁，则该线程应该被挂起。JDK1.6中-XX:+UseSpinning开启； -XX:PreBlockSpin=10 为自旋次数； JDK1.7后，去掉此参数，由jvm控制；

**偏向锁：**

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。下图就是偏向锁的获得跟撤销流程图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80Mzk3NTc3MQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成01（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。执行同步块。这个时候线程2也来访问同步块，也是会检查对象头的Mark Word里是否存储着当前线程2的偏向锁，发现不是，那么他会进入 CAS 替换，但是此时会替换失败，因为此时线程1已经替换了。替换失败则会进入撤销偏向锁，首先会去暂停拥有了偏向锁的线程1，进入无锁状态(01).偏向锁存在竞争的情况下就回去升级成轻量级锁。

开启：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 -client -Xmx1024m -Xms1024m

关闭：-XX:+UseBiasedLocking -client -Xmx512m -Xms512m

**轻量级锁：**

引入轻量级锁的主要目的是在多没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。当关闭偏向锁功能或者多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁，则会尝试获取轻量级锁.

在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word。这个时候 JVM会尝试使用 CAS 将 mark Word 更新为指向栈帧中的锁记录（Lock Record）的空间指针。并且把锁标志位设置为 00(轻量级锁标志)，与此同时如果有另外一个线程2也来进行 CAS 修改 Mark Word，那么将会失败，因为线程1已经获取到该锁，然后线程2将会进行 CAS操作不断的去尝试获取锁，这个时候将会引起锁膨胀，就会升级为重量级锁，设置标志位为 10.

由轻量锁切换到重量锁，是发生在轻量锁释放锁的期间，之前在获取锁的时候它拷贝了锁对象头的markword，在释放锁的时候如果它发现在它持有锁的期间有其他线程来尝试获取锁了，并且该线程对markword做了修改，两者比对发现不一致，则切换到重量锁。轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示同步过程已完成。如果失败，表示有其他线程尝试过获取该锁，则要在释放锁的同时唤醒被挂起的线程进入等待。

**重量级锁：**

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换，切换成本非常高。主要是，当系统检查到锁是重量级锁之后，会把等待想要获得锁的线程进行阻塞，被阻塞的线程不会消耗cup。但是阻塞或者唤醒一个线程时，都需要操作系统来帮忙，这就需要从用户态转换到内核态，而转换状态是需要消耗很多时间的，有可能比用户执行代码的时间还要长。这就是说为什么重量级线程开销很大的。

monitor这个对象，在hotspot虚拟机中，通过ObjectMonitor类来实现 monitor。他的锁的获取过程的体现会简单很多。每个object的对象里 markOop->monitor() 里可以保存ObjectMonitor的对象。

**总结synchronized锁升级过程:**

1.膨胀过程：无锁（锁对象初始化时）-> 偏向锁（有线程请求锁） -> 轻量级锁（多线程轻度竞争）-> 重量级锁（线程过多或长耗时操作，线程自旋过度消耗cpu）；

2.jvm默认延时4s自动开启偏向锁（此时为匿名偏向锁，不指向任务线程），可通过-XX:BiasedLockingStartUpDelay=0取消延时；如果不要偏向锁，可通过-XX:-UseBiasedLocking = false来设置

3.锁只能升级，不能降级；偏向锁可以被重置为无锁状态

4.锁对象头记录占用锁的线程信息，但不能主动释放，线程栈同时记录锁的使用信息，当有其他线程（T1）申请已经被占用的锁时，先根据锁对向的信息，找对应线程栈，若线程已结束，则锁对象先被置为无锁状态，再被T1线程占有后置为偏向锁；若线程位结束，则锁状态由当前偏向锁升级为轻量级锁。

5.偏向锁和轻量级锁在用户态维护，重量级锁需要切换到内核态(os)进行维护；

参考:  
https://www.cnblogs.com/wuzhenzhao/p/10250801.html  
https://www.jb51.net/article/183984.htm  
https://zhuanlan.zhihu.com/p/29866981

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