Java并发编程之synchronized原理(二)
Java中的每一个对象都可以作为锁,变现方式为:
对于普通同步方法,锁是当前实例对象。
对于静态同步方法,锁是当前类的Class对象。
对于同步方法块,锁是Synchonized括号里配置的对象。
普通同步方法:
public synchronized void hello() {
}
静态同步方法
Public static synchronized void hello() {
}
同步方法块:
synchronized (object) {
System.out.println();
}
当一个线程试图访问同步代码块时,它首先必须得到锁,退出或抛出异常时必须释放锁。
Synchonized在JVM里的实现原理
JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter
和monitorexit指令实现的,而方法同步是使用另外一种方式实现的。
JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。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。线程执行monitorenter指令时,将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权,即尝试获得对象的锁
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
Java对象头
synchronized用的锁是存在Java对象头里的。
如果对象是数组类型,则虚拟机用3个字宽(Word)存储对象头,如果对象是非数组类型,则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中,1字宽等于4字节,即32bit
Java对象头长度
Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。
Java对象头存储结构(32位JVM Mark Word)
32位JVM Mark Word变化情况
64位JVM Mark Word变化情况
Java锁状态
锁一共有4种状态,级别从低到高依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态,这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略,目的是为了提高获得锁和释放锁的效率
偏向锁
当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1(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。
对于偏向锁撤销,偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制,所以当其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码)。它会首先暂停拥有偏向锁的线程,然后检查持有偏向锁的线程是否活着,如果线程不处于活动状态,则将对象头设置成无锁状态;如果线程仍然活着,拥有偏向锁的栈会被执行,遍历偏向对象的锁记录,栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程,要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁,最后唤醒暂停的线程。
偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的,但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活,如
有必要可以使用JVM参数来关闭延迟:-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。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。
轻量级锁
(1)轻量级锁加锁
线程在执行同步块之前,JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间,并
将对象头中的Mark Word复制到锁记录中,官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用
CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功,当前线程获得锁,如果失
败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
(2)轻量级锁解锁
轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头,如果成
功,则表示没有竞争发生。如果失败,表示当前锁存在竞争,锁就会膨胀成重量级锁。下图是两个线程同时争夺锁,导致锁膨胀的流程图。
锁的优缺点对比
参阅书籍:
《Java并发编程艺术》
《Java多线程编程》