Synchronized的实现原理和应用
Synchronized的实现原理和应用
很多人称呼它为重量级锁.但是随着Java SE1.6对Synchronized进行优化后,有些情况下就没有那么重了.
Java的每一对象都可以作为锁
具体的实现方式:
- 对于普通的同步方法,锁是当前的实例对象
- 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Synchronized括号里配置的对象
Java对象头
Synchronized的用的锁是存在Java对象头里面的.如果对象是数组类型,则虚拟机用三个字宽(Word)存储对象头.
如果是非数组,则是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,如下图
Java 对象头的长度
长度 | 内容 | 说明 |
---|---|---|
32/64bit | Mark Word | 存储对象的hashCode或锁信息 |
32/64bit | Class Metadata Address | 存储到对象类型数据的指针 |
32/32bit | Array length | 数组的长度(如果当前对象是数组) |
Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的Hash Code
,分代年龄
和锁标记位
Java对象头的存储结构
原来Markdown支持html的表格 自带的表格不支持行列合并
锁状态 | 25bit | 4bit | 1bit | 2bit | |
---|---|---|---|---|---|
23bit | 2bit | 是否偏向锁 | 锁标志位 | ||
无锁状态 | 对象的hashCode | 对象分代年龄 | 0 | 01 | |
偏向锁 | 线程ID | Epoch | 对象分代年龄 | 1 | 01 |
轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 | 00 | |||
重量级锁 | 指向互斥量(重量级锁)的指针 | 10 | |||
GC标记 | 空 | 11 | |||
在运行期间, Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化
在64位虚拟机下 Markword 是64bit大小的 其存储结构如下
锁状态 | 25bit | 31bit | 1bit | 4bit | 1bit | 2bit |
---|---|---|---|---|---|---|
cms_free | 分代年龄 | 偏向锁 | 锁标志位 | |||
无锁 | unused | hashCode | 0 | 01 | ||
偏向锁 | 线程ID(54bit) Epoch(2bit) | 1 | 01 | |||
锁的升级与对比
JavaSE1.6引入了偏向锁和轻量级锁 从低到高:
无锁 偏向锁 轻量级锁 重量级锁
- 锁可以升级 不能降级 目的为了提高效率
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偏向锁
当一个线程访问同步块并获取锁的时,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的时候不需要进行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
- 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
偏向锁的撤销
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的时候,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(这个点上没有正在执行的字节码)
- 首先暂停拥有偏向锁的线程
- 检查持有偏向锁的线程是否或者
- 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,遍历偏向对象的锁的记录
- 栈中锁记录和对象头的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
关闭偏向锁
偏向锁在Java6 Java7 中是默认启用的,但是它在应用程序启用几秒之后才激活,
如有必要可以使用JVM来关闭延迟:
-XX: BiasedLockingStartupDelay=0
如果确认应用程序里的锁通常处于竞争状态
可以通过JVM参数关闭偏向锁
-XX:-UseBiasedLocking=false
那么程序会默认进入偏向锁状态
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帧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Displaced Mark Word.然后线程尝试使用CAS将对象头中的MarkWord替换为指向锁记录的指针.
(我的理解: 因为对象是同一个 已经被线程一替换为指针了)
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
轻量级锁解锁时,会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头, 如果成功表示没有竞争发生.
如果失败 表示当前锁存在竞争, 锁会膨胀成重量级锁.
(我的理解: 之所以失败 因为CAS发现它已经不是原来的东西了)