Java核心技术面试精讲（第十六讲）| synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

╰半橙微兮° 2022-11-03 05:50 194阅读 0赞

我在上一讲对比和分析了 synchronized 和 ReentrantLock，算是专栏进入并发编程阶段的热身，相信你已经对线程安全，以及如何使用基本的同步机制有了基础，今天我们将深入了解 synchronize 底层机制，分析其他锁实现和应用场景。

今天我要问你的问题是 ，synchronized 底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

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### 典型回答 ###

在回答这个问题前，先简单复习一下上一讲的知识点。synchronized 代码块是由一对儿 monitorenter/monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现[单元][Link 1]。

在 Java 6 之前，Monitor 的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。

现代的（Oracle）JDK 中，JVM 对此进行了大刀阔斧地改进，提供了三种不同的 Monitor 实现，也就是常说的三种不同的锁：偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。

所谓锁的升级、降级，就是 JVM 优化 synchronized 运行的机制，当 JVM 检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现，这种切换就是锁的升级、降级。当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM 会利用 CAS 操作（[compare and swap][]），在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。

如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM 就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

我注意到有的观点认为 Java 不会进行锁降级。实际上据我所知，锁降级确实是会发生的，当 JVM 进入安全点（[SafePoint][]）的时候，会检查是否有闲置的 Monitor，然后试图进行降级。

### 考点分析 ###

今天的问题主要是考察你对 Java 内置锁实现的掌握，也是并发的经典题目。我在前面给出的典型回答，涵盖了一些基本概念。如果基础不牢，有些概念理解起来就比较晦涩，我建议还是尽量理解和掌握，即使有不懂的也不用担心，在后续学习中还会逐步加深认识。

我个人认为，能够基础性地理解这些概念和机制，其实对于大多数并发编程已经足够了，毕竟大部分工程师未必会进行更底层、更基础的研发，很多时候解决的是知道与否，真正的提高还要靠实践踩坑。

后面我会进一步分析：

*  从源码层面，稍微展开一些 synchronized 的底层实现，并补充一些上面答案中欠缺的细节，有同学反馈这部分容易被问到。如果你对 Java 底层源码有兴趣，但还没有找到入手点，这里可以成为一个切入点。
 *  理解并发包中 java.util.concurrent.lock 提供的其他锁实现，毕竟 Java 可不是只有 ReentrantLock 一种显式的锁类型，我会结合代码分析其使用。

### 知识扩展 ###

我在上一讲提到过 synchronized 是 JVM 内部的 Intrinsic Lock，所以偏斜锁、轻量级锁、重量级锁的代码实现，并不在核心类库部分，而是在 JVM 的代码中。

Java 代码运行可能是解释模式也可能是编译模式（如果不记得，请复习专栏第 1 讲），所以对应的同步逻辑实现，也会分散在不同模块下，比如，解释器版本就是：

[src/hotspot/share/interpreter/interpreterRuntime.cpp][src_hotspot_share_interpreter_interpreterRuntime.cpp]

为了简化便于理解，我这里会专注于通用的基类实现：

[src/hotspot/share/runtime/][src_hotspot_share_runtime]

另外请注意，链接指向的是最新 JDK 代码库，所以可能某些实现与历史版本有所不同。

首先，synchronized 的行为是 JVM runtime 的一部分，所以我们需要先找到 Runtime 相关的功能实现。通过在代码中查询类似“monitor\_enter”或“Monitor Enter”，很直观的就可以定位到：

*  [sharedRuntime.cpp][]/hpp，它是解释器和编译器运行时的基类。
 *  [synchronizer.cpp][]/hpp，JVM 同步相关的各种基础逻辑。

在 sharedRuntime.cpp 中，下面代码体现了 synchronized 的主要逻辑。

Handle h_obj(THREAD, obj);
      if (UseBiasedLocking) {
        // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
        ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, lock, true, CHECK);
      } else {
        ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, lock, CHECK);
      }

其实现可以简单进行分解：

*  UseBiasedLocking 是一个检查，因为，在 JVM 启动时，我们可以指定是否开启偏斜锁。

偏斜锁并不适合所有应用场景，撤销操作（revoke）是比较重的行为，只有当存在较多不会真正竞争的 synchronized 块儿时，才能体现出明显改善。实践中对于偏斜锁的一直是有争议的，有人甚至认为，当你需要大量使用并发类库时，往往意味着你不需要偏斜锁。从具体选择来看，我还是建议需要在实践中进行测试，根据结果再决定是否使用。

还有一方面是，偏斜锁会延缓 JIT 预热的进程，所以很多性能测试中会显式地关闭偏斜锁，命令如下：

-XX:-UseBiasedLocking

*  fast\_enter 是我们熟悉的完整锁获取路径，slow\_enter 则是绕过偏斜锁，直接进入轻量级锁获取逻辑。

那么 fast\_enter 是如何实现的呢？同样是通过在代码库搜索，我们可以定位到 synchronizer.cpp。 类似 fast\_enter 这种实现，解释器或者动态编译器，都是拷贝这段基础逻辑，所以如果我们修改这部分逻辑，要保证一致性。这部分代码是非常敏感的，微小的问题都可能导致死锁或者正确性问题。

void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock,
                                      bool attempt_rebias, TRAPS) {
      if (UseBiasedLocking) {
        if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
          BiasedLocking::Condition cond = BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);
          if (cond == BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {
            return;
          }
      } else {
          assert(!attempt_rebias, "can not rebias toward VM thread");
          BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
      }
        assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
      }
     
      slow_enter(obj, lock, THREAD);
    }

我来分析下这段逻辑实现：

*  [biasedLocking][]定义了偏斜锁相关操作，revoke\_and\_rebias 是获取偏斜锁的入口方法，revoke\_at\_safepoint 则定义了当检测到安全点时的处理逻辑。
 *  如果获取偏斜锁失败，则进入 slow\_enter。
 *  这个方法里面同样检查是否开启了偏斜锁，但是从代码路径来看，其实如果关闭了偏斜锁，是不会进入这个方法的，所以算是个额外的保障性检查吧。

另外，如果你仔细查看[synchronizer.cpp][]里，会发现不仅仅是 synchronized 的逻辑，包括从本地代码，也就是 JNI，触发的 Monitor 动作，全都可以在里面找到（jni\_enter/jni\_exit）。

关于[biasedLocking][]的更多细节我就不展开了，明白它是通过 CAS 设置 Mark Word 就完全够用了，对象头中 Mark Word 的结构，可以参考下图：

![985ffd599c076ccbc61cf9af2deded30.png][]

顺着锁升降级的过程分析下去，偏斜锁到轻量级锁的过程是如何实现的呢？

我们来看看 slow\_enter 到底做了什么。

void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
      markOop mark = obj->mark();
     if (mark->is_neutral()) {
           // 将目前的Mark Word复制到Displaced Header上
      lock->set_displaced_header(mark);
      // 利用CAS设置对象的Mark Word
        if (mark == obj()->cas_set_mark((markOop) lock, mark)) {
          TEVENT(slow_enter: release stacklock);
          return;
        }
        // 检查存在竞争
      } else if (mark->has_locker() &&
                 THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
      // 清除
        lock->set_displaced_header(NULL);
        return;
      }
     
      // 重置Displaced Header
      lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
      ObjectSynchronizer::inflate(THREAD,
                                obj(),
                                  inflate_cause_monitor_enter)->enter(THREAD);
    }

请结合我在代码中添加的注释，来理解如何从试图获取轻量级锁，逐步进入锁膨胀的过程。你可以发现这个处理逻辑，和我在这一讲最初介绍的过程是十分吻合的。

*  设置 Displaced Header，然后利用 cas\_set\_mark 设置对象 Mark Word，如果成功就成功获取轻量级锁。
 *  否则 Displaced Header，然后进入锁膨胀阶段，具体实现在 inflate 方法中。

今天就不介绍膨胀的细节了，我这里提供了源代码分析的思路和样例，考虑到应用实践，再进一步增加源代码解读意义不大，有兴趣的同学可以参考我提供的[synchronizer.cpp][synchronizer.cpp 1]链接，例如：

*  deflate\_idle\_monitors 是分析锁降级逻辑的入口，这部分行为还在进行持续改进，因为其逻辑是在安全点内运行，处理不当可能拖长 JVM 停顿（STW，stop-the-world）的时间。
 *  fast\_exit 或者 slow\_exit 是对应的锁释放逻辑。

前面分析了 synchronized 的底层实现，理解起来有一定难度，下面我们来看一些相对轻松的内容。 我在上一讲对比了 synchronized 和 ReentrantLock，Java 核心类库中还有其他一些特别的锁类型，具体请参考下面的图。

![babea2c7d0c363790e07ec6bfee0bf64.png][]

你可能注意到了，这些锁竟然不都是实现了 Lock 接口，ReadWriteLock 是一个单独的接口，它通常是代表了一对儿锁，分别对应只读和写操作，标准类库中提供了再入版本的读写锁实现（ReentrantReadWriteLock），对应的语义和 ReentrantLock 比较相似。

StampedLock 竟然也是个单独的类型，从类图结构可以看出它是不支持再入性的语义的，也就是它不是以持有锁的线程为单位。

为什么我们需要读写锁（ReadWriteLock）等其他锁呢？

这是因为，虽然 ReentrantLock 和 synchronized 简单实用，但是行为上有一定局限性，通俗点说就是“太霸道”，要么不占，要么独占。实际应用场景中，有的时候不需要大量竞争的写操作，而是以并发读取为主，如何进一步优化并发操作的粒度呢？

Java 并发包提供的读写锁等扩展了锁的能力，它所基于的原理是多个读操作是不需要互斥的，因为读操作并不会更改数据，所以不存在互相干扰。而写操作则会导致并发一致性的问题，所以写线程之间、读写线程之间，需要精心设计的互斥逻辑。

一个基于读写锁实现的数据结构，当数据量较大，并发读多、并发写少的时候，能够比纯同步版本凸显出优势。

public class RWSample {
      private final Map<String, String> m = new TreeMap<>();
      private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
      private final Lock r = rwl.readLock();
      private final Lock w = rwl.writeLock();
      public String get(String key) {
          r.lock();
          System.out.println("读锁锁定！");
          try {
              return m.get(key);
          } finally {
              r.unlock();
          }
      }
    
      public String put(String key, String entry) {
          w.lock();
      System.out.println("写锁锁定！");
            try {
                return m.put(key, entry);
            } finally {
                w.unlock();
            }
        }
      // …
      }

在运行过程中，如果读锁试图锁定时，写锁是被某个线程持有，读锁将无法获得，而只好等待对方操作结束，这样就可以自动保证不会读取到有争议的数据。

读写锁看起来比 synchronized 的粒度似乎细一些，但在实际应用中，其表现也并不尽如人意，主要还是因为相对比较大的开销。

所以，JDK 在后期引入了 StampedLock，在提供类似读写锁的同时，还支持优化读模式。优化读基于假设，大多数情况下读操作并不会和写操作冲突，其逻辑是先试着读，然后通过 validate 方法确认是否进入了写模式，如果没有进入，就成功避免了开销；如果进入，则尝试获取读锁。请参考我下面的样例代码。

public class StampedSample {
      private final StampedLock sl = new StampedLock();
    
      void mutate() {
          long stamp = sl.writeLock();
          try {
              write();
          } finally {
              sl.unlockWrite(stamp);
          }
      }
    
      Data access() {
          long stamp = sl.tryOptimisticRead();
          Data data = read();
          if (!sl.validate(stamp)) {
              stamp = sl.readLock();
              try {
                  data = read();
              } finally {
                  sl.unlockRead(stamp);
              }
          }
          return data;
      }
      // …
    }

注意，这里的 writeLock 和 unLockWrite 一定要保证成对调用。

你可能很好奇这些显式锁的实现机制，Java 并发包内的各种同步工具，不仅仅是各种 Lock，其他的如[Semaphore][]、[CountDownLatch][]，甚至是早期的[FutureTas][]k等，都是基于一种[AQS][]框架。

今天，我全面分析了 synchronized 相关实现和内部运行机制，简单介绍了并发包中提供的其他显式锁，并结合样例代码介绍了其使用方法，希望对你有所帮助。

### 一课一练 ###

关于今天我们讨论的你做到心中有数了吗？思考一个问题，你知道“自旋锁”是做什么的吗？它的使用场景是什么？

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### 其他经典回答 ###

以下来自网友公号-技术夜未眠的回答：

自旋锁:竞争锁的失败的线程，并不会真实的在操作系统层面挂起等待，而是JVM会让线程做几个空循环(基于预测在不久的将来就能获得)，在经过若干次循环后，如果可以获得锁，那么进入临界区，如果还不能获得锁，才会真实的将线程在操作系统层面进行挂起。  
  
适用场景:自旋锁可以减少线程的阻塞，这对于锁竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说，有较大的性能提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起操作的消耗。  
如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，就不适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用cpu做无用功，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，造成cpu的浪费。

以下来自网友yearning的回答：

这次原理真的看了很久，一直鼓劲自己，看不懂就是说明自己有突破。  
  
下面看了并发编程对于自旋锁的了解，同时更深刻理解同步锁的性能。  
  
自旋锁采用让当前线程不停循环体内执行实现，当循环条件被其他线程改变时，才能进入临界区。  
  
由于自旋锁只是将当前线程不停执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应会更快。但当线程不停增加时，性能下降明显。  
线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。  
  
为什么会提出自旋锁，因为互斥锁，在线程的睡眠和唤醒都是复杂而昂贵的操作，需要大量的CPU指令。如果互斥仅仅被锁住是一小段时间，  
用来进行线程休眠和唤醒的操作时间比睡眠时间还长，更有可能比不上不断自旋锁上轮询的时间长。  
  
当然自旋锁被持有的时间更长，其他尝试获取自旋锁的线程会一直轮询自旋锁的状态。这将十分浪费CPU。  
  
在单核CPU上，自旋锁是无用，因为当自旋锁尝试获取锁不成功会一直尝试，这会一直占用CPU，其他线程不可能运行，  
同时由于其他线程无法运行，所以当前线程无法释放锁。  
  
混合型互斥锁， 在多核系统上起初表现的像自旋锁一样， 如果一个线程不能获取互斥锁， 它不会马上被切换为休眠状态，在一段时间依然无法获取锁，进行睡眠状态。  
  
混合型自旋锁，起初表现的和正常自旋锁一样，如果无法获取互斥锁，它也许会放弃该线程的执行，并允许其他线程执行。  
  
切记，自旋锁只有在多核CPU上有效果，单核毫无效果，只是浪费时间。  
  
  
以上基本参考来源于：  
[http://ifeve.com/java\_lock\_see1/][http_ifeve.com_java_lock_see1]  
[http://ifeve.com/practice-of-using-spinlock-instead-of-mutex/][http_ifeve.com_practice-of-using-spinlock-instead-of-mutex]

以下来自网友jacy的回答：

看了大家对自旋锁的评论，我的收获如下:  
1.基于乐观情况下推荐使用，即锁竞争不强，锁等待时间不长的情况下推荐使用  
2.单cpu无效，因为基于cas的轮询会占用cpu,导致无法做线程切换  
3.轮询不产生上下文切换，如果可估计到睡眠的时间很长，用互斥锁更好

以下来自网友sunlight001的回答：

自旋锁是尝试获取锁的线程不会立即阻塞，采用循环的方式去获取锁，好处是减少了上下文切换，缺点是消耗cpu

以下来自网友Roysatm的回答：

1.synchronized锁，可分为偏向锁、轻量级锁、重量级锁。在jvm没有显示关闭偏向锁的情况下，初始状态时默认是偏向锁时，  
线程请求先通过CAS替换mark word中threadId,如果替换成功则该线程持有当前锁。如果替换失败，锁会升级为轻量级锁，  
线程请求会尝试CAS替换mark word中指向栈中锁记录的指针，如果替换成功则该线程持有当前锁。  
如果替换失败，当前线程会自旋一定次数，继续尝试获取CAS替换，如果超过一定自旋次数，锁升级为重量级锁。  
  
synchronized锁是调用系统内核互斥锁实现的，线程在获取synchronized锁失败后，也会进入一个等待获取锁队列中（系统内核实现的），  
线程会由运行态切换到阻塞态，让出CPU，待其他线程释放锁后唤醒它。  
  
synchronize锁重（1.6之后jvm有优化）就是重在两点，一是调用内核互斥锁实现，二是线程获取锁失败会变成阻塞态，让出CPU，等待唤醒（有一定的上下文切换）

以下来自网友Miaozhe的回答：

老师，偏斜锁有什么作用？还是没有看明白，如果只是被一个线程获取，那么锁还有什么意义？  
另外，如果我有两个线程明确定义调用同一个对象的Synchronized块，JVM默认肯定先使用偏斜锁，之后在升级到轻量级所，必须经过撤销Revoke吗？编译的时候不会自动优化？

作者回复: 我理解偏斜锁就是为了优化那些没有并发却写了同步逻辑的代码；javac编译时能判断的是有限的；一旦有另外线程想获取，就会revoke，而且开销明显

以下来自网友stephen chow的回答：

StampLock是先试着读吧？你写的先试着修改。。

作者回复: 嗯，是有点写跑偏了，看上下文倒也能理解，谢谢指出

[Link 1]: https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se10/html/jls-8.html#d5e13622
[compare and swap]: https://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap
[SafePoint]: http://blog.ragozin.info/2012/10/safepoints-in-hotspot-jvm.html
[src_hotspot_share_interpreter_interpreterRuntime.cpp]: http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/6659a8f57d78/src/hotspot/share/interpreter/interpreterRuntime.cpp
[src_hotspot_share_runtime]: http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/6659a8f57d78/src/hotspot/share/runtime/
[sharedRuntime.cpp]: http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/6659a8f57d78/src/hotspot/share/runtime/sharedRuntime.cpp
[synchronizer.cpp]: https://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/896e80158d35/src/hotspot/share/runtime/synchronizer.cpp
[biasedLocking]: http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/6659a8f57d78/src/hotspot/share/runtime/biasedLocking.cpp
[985ffd599c076ccbc61cf9af2deded30.png]: /images/20221024/43d7506b8db942d2982cc02541ce8ada.png
[synchronizer.cpp 1]: http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk/file/896e80158d35/src/hotspot/share/runtime/synchronizer.cpp
[babea2c7d0c363790e07ec6bfee0bf64.png]: /images/20221024/fdd56844d9664064b6da6b964c132b8a.png
[Semaphore]: https://docs.oracle.com/javase/10/docs/api/java/util/concurrent/Semaphore.html
[CountDownLatch]: https://docs.oracle.com/javase/10/docs/api/java/util/concurrent/CountDownLatch.html
[FutureTas]: https://docs.oracle.com/javase/10/docs/api/java/util/concurrent/FutureTask.html
[AQS]: https://docs.oracle.com/javase/10/docs/api/java/util/concurrent/locks/AbstractQueuedSynchronizer.html
[http_ifeve.com_java_lock_see1]: http://ifeve.com/java_lock_see1/
[http_ifeve.com_practice-of-using-spinlock-instead-of-mutex]: http://ifeve.com/practice-of-using-spinlock-instead-of-mutex/