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Java并发编程专题系列之深入分析synchronized(分析篇)

[db:作者]

1月 6, 2022

前提承接

针对于之前两篇关于synchronized的文章,主要介绍关于synchronized在字节码中的实现方式和表现形式(同步代码块和同步方法)Java并发编程专题系列之深入分析synchronized(基础篇)以及先关针对于同步锁的实现原理比如ObjectMonitor的数据结构以及等待队列和同步队列等Java并发编程专题系列之深入分析synchronized(进阶篇),本文主要介绍针对于在执行角度包含对象锁的结构(标记字段的状态)和相关加锁过程进行相关的流程梳理以及对前两章的总结

synchronized关键字

synchronized的锁机制的主要优势是Java语言内置的锁机制,因此,JVM可以自由的优化而不影响已存在的代码

任何对象都拥有对象头这一数据结构来支持锁,但是对于较大的对象系统开销会更大一些。

java中的每一个对象都至少包含2个字(2 * 4 Bytes for 32bits & 2 * 8 Bytes for 64bits, 不包括已压缩的对象)。

  • 第一个字被称为Mark Word。这是一个对象的头,它包含了不同的信息,包括锁的相关信息(32bitOS->8bit大小、64bitOS->16bit大小)。

  • 第二个字是指向metadata class的指针,metadata class字义了对象的类型。这部分也包含了VMT(Virtual Method Table)

Mark Word 的结构如下所示:

Mark Word根据最低两位(Tag)的所表示的对象状态(包含了锁的类型),编码了不同的信息

如果这个对象没有被用作锁,Mark Word 记录了hashcode和对象年龄(for GC/survivors)

除此之外,有3种状态对应锁:轻量级锁,重量级锁和偏向锁。

轻量级锁

现代JVM都引入了轻量级锁

避免将每个对象关联操作系统的mutex/condition变量(重量级锁

  • 当不存在锁竞争时,使用原子操作来进入退出同步块

  • 如果发生锁竞争,回退到操作系统的重量级锁

  • 引入轻量级锁会提供锁效率,因为大部分锁都不存在竞争

轻量级锁的加锁过程

当一个对象被锁定时,mark word被复制到当前尝试获取锁的线程的线程栈(Execution stack)的锁记录空间(lock record), 被复制的mark word官方称为displaced mark

使用CAS操作来尝试使mark word指向当前线程的锁记录空间(即在mark word中存入使用当前线程锁记录空间的指针——stack pointer)。

  • 如果CAS操作成功,则线程获得锁

  • 如果CAS操作失败,即存在锁竞争,则发生锁膨胀,回退到重量级锁

  • 锁记录空间中记录了被当前执行方法锁定的对象(通过遍历线程栈找到线程的锁对象)。

轻量级锁加锁前:

轻量级锁加锁后:

经量级锁的解锁过程:

  • 解锁使用CAS来把displaced mark写回对象的mark word中

  • 如果CAS失败, 表示发生锁竞争:则锁膨胀。(通知其他等待线程锁已释放)将锁记录空间置为0

  • 如果发生锁膨胀,则用0替换displaced mark,如果不存在竞争,则CAS将锁记录空间置为0后,停止CAS操作

偏向锁

偏向锁的引入

在多处理器上CAS操作可能开销很大。

  • 大多数锁不仅不存在竞争,而且往往由同一个线程使用。

  • 使单独一个线程获取锁的开销更低。

  • 代价是使另一个线程获取锁开销增大。

偏向锁加锁过程

  • 锁对象第一次被线程获取时,VM把对象头中的标志位设为101,即偏向模式

  • 同时使用CAS把获取到这个锁的线程ID记录在对象的mark word中,如果CAS成功,则持有偏向锁的线程以后每次进行这个锁相关的同步块时,不再进行任务同步操作,只进行比较Mark word中的线程ID是否是当前线程的ID

偏向锁的解锁过程

  • 当另外一个线程去尝试获取这个锁时,偏向模式结束。根据锁对象目前是否处于被锁定状态,撤销偏向后恢复到未锁定或轻量级锁定状态

  • VM会停止持有偏向锁的线程(实际上,VM不能停止单一线程,而是在安全点进行的操作)。

  • 遍历持有偏向锁的线程的栈,找到锁记录空间,将displaced mark 写入到最旧的锁记录空间,其他的写0

更新锁对象的mark word。如果被锁定,则指向最旧的锁记录空间,否则,填入未锁定值。

偏向锁的特点:

  • 偏向于第一个获取锁的线程:

mark word的Tag中增加一位

001表示无锁状态
101表示偏向或可偏向状态(thread ID ==0 == unlock)

通过CAS来获取偏向锁

  • 对于持有锁的线程接下的锁获取和释放开销非常小(仅仅判断下,不需要CAS同步操作)

如果另一个线程锁定了偏向锁对象,则偏向锁收回,升级为轻量级锁(增加了另一个线程获取锁的开销)。

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