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

Java对象头的存储结构
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 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

Mark Word的存储结构
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)