并发编程系列之深入理解Synchronized关键字

àì夳堔傛蜴生んèń 2022-04-22 00:10 332阅读 0赞

# Java内存模型内存间交互操作 #

在介绍synchronized之前先简单的介绍一下JMM的交互操作  
  Java内存模型定义了8个操作来完成主内存和工作内存的交互操作。  
![JMM内存间交互操作][JMM]

*  read：把一个变量的值从主内存传输到工作内存中
 *  load：在read之后执行，把read得到的值放入工作内存的变量副本中
 *  use：把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎
 *  assign：把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
 *  store：把工作内存的一个变量的值传送到主内存中
 *  write：在store之后执行，把store得到的值放入主内存的变量中
 *  lock：作用于主内存的变量
 *  unlock

# synchronized #

synchronized的底层是使用操作系统的mutex lock实现的。

**内存可见性：** 同步块的可见性是由“如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值”、“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store和write操作）”这两条规则获得的。  
  **操作原子性：** 持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入

# 锁的内存语义 #

*  当线程释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中
 *  当线程获取锁时，JMM会把线程对应的本地内存置为无效。从而使得监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量  
    \#\#锁释放和锁获取的内存语义
 *  线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程A对共享变量所做修改的）消息。
 *  线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在释放这个锁之前对共享变量所做修改的）消息。
 *  线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息

## synchronized锁 ##

synchronized锁的是对象的头。

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，或者当前线程已经有用了那个对象的锁，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

## Mutex Lock ##

监视器锁（Monitor）本质是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的。每个对象都对应一个可称为“互斥锁”的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。

互斥锁：用于保护临界区，确保同一时间只有一个线程访问数据。对共享资源的访问，先对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。

# synchronized的使用场景 #

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>分类</th> 
   <th>被锁住的对象</th> 
   <th>伪代码</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>方法</td> 
   <td>实例方法</td> 
   <td>类的实例对象</td> 
   <td>//实例方法，锁住的是该类的实例对象public synchronized void method(){   ……}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>静态方法</td> 
   <td>类对象</td> 
   <td>//静态方法，锁住的是类对象public static synchronized void method(){   ……}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>代码块</td> 
   <td>实例对象</td> 
   <td>类的实例对象</td> 
   <td>//同步代码块，锁住的是该类的实例对象synchronized(this){   ……}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>class对象</td> 
   <td>类对象</td> 
   <td>//同步代码块，锁住的是该类的类对象synchronized(xxx.class){   ……}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>任意实例对象Object</td> 
   <td>实例对象Object</td> 
   <td>//同步代码块，锁住的是配置的实例对象//String对象作为对象锁String lock = "";synchronized(lock){   ……}</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# Java对象保存在内存中的组成 #

1.对象头  
2.实例数据  
3.对其填充字节

## 对象头 ##

java的对象头由以下三部分组成：

*  1.Mark Word
 *  2.指向类的指针
 *  3.数组长度（只有数组对象才有）

### Mark Word ###

Mark Word记录了对象和锁有关的信息，当这个对象被synchronized关键字当成同步锁时，围绕这个锁的一系列操作都和Mark Word有关。  
  Mark Word在32位JVM中的长度是32bit，在64位JVM中长度是64bit。  
  Mark Word在不同的锁状态下存储的内容不同，在32位JVM中是这么存的：  
![Mark Word][]  
  其中无锁和偏向锁的锁标志位都是01，只是在前面的1bit区分了这是无锁状态还是偏向锁状态  
  PS：JDK1.6以后的版本在处理同步锁时存在锁升级的概念，JVM对于同步锁的处理是从偏向锁开始的，随着竞争越来越激烈，处理方式从偏向锁升级到轻量级锁，最终升级到重量级锁。

### 指向类的指针 ###

该指针在32位JVM中的长度是32bit，在64位的JVM中的长度是64bit。

### 数组长度 ###

只有数组对象保存了这部分数据。该数据再32位和64位JVM中的长度都是32bit。

## 实例数据 ##

在java代码中能看到的属性及其值。  
\#\#对齐填充字节  
  因为JVM要求java对象所占的内存大小是8bit的倍数，所以后面有几个字节用于把对象的大小补全至8bit的倍数。

# synchronized锁的升级 #

下面通过一张图来看一下synchronized锁升级的过程（图片来自网络）。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

JVM中一般是这样使用锁的：

**无锁状态**

![在这里插入图片描述][20191023222725119.png]

当没有被当成锁时，这就是一个普通的对象，Mark Word记录对象的HashCode，锁标志位是01，是否偏向锁位是0。

**无锁–>偏向锁**

1）只有一个线程抢锁

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

当对象被当做同步锁并有一个线程抢到了锁，锁标志位是01，是否偏向锁位是1，前32bit记录抢到锁的线程id，表示进入偏向锁状态。

2）有一个线程已经抢到锁，其他线程也来抢锁

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

线程2试图再次获取锁时，JVM发现同步锁对象处于偏向状态，Mark Word中记录的线程id就是线程2的id，表示线程2已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

当线程3视图获取这个锁时，JVM发现同步锁对象处于偏向状态，但是Mark Word中记录的线程id不是线程3的id，那么线程3会先用CAS操作试图获得锁。如果抢锁成功，就把Mark Word里的线程id改为线程3的id，代表线程3获得了这个偏向锁，可以执行同步锁代码。如果抢锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。

**偏向锁–>轻量级锁**

当同步对象处于偏向锁状态线程抢锁失败将会升级成轻量级锁。JVM会在当前线程的线程栈中开辟一块单独的空间，保存指向对象锁Mark Word的指针，同时在对象锁Mark Word中保存指向这片空间的指针。如果保存成功，代表线程抢到了同步锁，就把Mark Word中的锁标志位改为00，可以执行同步锁代码。如果保存失败，表示抢锁失败，竞争太激烈。JVM会使用自旋锁，不断的重试，尝试抢锁。从jdk1.7开始，自旋锁默认启用，自旋次数由jvm决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码，如果抢锁失败轻量级锁将升级为重量级锁。

**轻量级锁–>重量级锁**

当线程自旋获取轻量级锁失败将会升级成重量级锁。锁标志位改为10.这个状态下未抢到锁的线程都会被阻塞。

[JMM]: /images/20220422/408405ba971f48199b8ace2be4bd7863.png
[Mark Word]: /images/20220422/d08b7ca7692e4134b088a55589f2ce25.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220422/1ea33edb4d9c48efa89455b2c42a2fcb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220422/d879e1c9b6f44919a508bc0bd956e031.png
[20191023222725119.png]: /images/20220422/165dcf400cce44048e363dceab36e51f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220422/254ec6ce1a4248918dd69812859c36a6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220422/f89569f5601c4c2fad659e9f46ac8cd7.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXppdGVuZzAyMjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220422/04fcf76f85c74d22a85aaf44aa220637.png