java线程-synchronized详解

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2023-10-04 20:42 63阅读 0赞

解决线程原子性问题，最常见的手段就是加锁，Java提供了两种加锁的方式，一个synchronized隐式锁，另外一个是通过J.U.C框架提供的Lock显式加锁。本文主要介绍一个Synchronized的实现方式。

## synchronized概述 ##

synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性，synchronized 翻译为中文的意思是同步，也称之为”同步锁“。

synchronized的作用是保证在同一时刻， 被修饰的代码块或方法只会有一个线程执行，以达到保证并发安全的效果。

## synchronized的使用方式 ##

### 基本语法 ###

synchronized有两个作用范围：方法和局部代码块，代码示例如下

public class SynchronizedDemo {
    
      private int v;
      private static int a;
      private final Object lock = new Object();
    
      // 修饰非静态方法 对象锁
      public synchronized void add(int value) {
        v += value; // 临界区
      }
    
      public void sub(int value) {
        // 修饰局部代码块 对象锁
        synchronized (lock) {
          v -= value; // 临界区
        }
      }
    
      // 修饰静态方法 类锁
      public static synchronized void multi(int value) {
        a *= value; // 临界区
      }
    
      public static void div(int value) {
        // 修饰局部代码块 类锁
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
          a /= value; // 临界区
        }
      }
    } 
    复制代码

java编译器会在synchronized修饰的方法或代码块前后自动Lock，unlock。

1.  synchronized修饰代码块，锁定是个obj对象，或者是一个类，sychronized(this.class)
2.  synchronized修饰静态方法，锁定是当前类的class对象
3.  synchronized修饰非静态方法，锁定的是当前实例对象this。

## synchronized底层实现原理 ##

### synchronized对应的字节码 ###

使用`javap -verbose SynchronizedDemo`查看字节码文件

public synchronized void add(int);
        descriptor: (I)V
        flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
        Code:
          stack=3, locals=2, args_size=2
             0: aload_0
             1: dup
             2: getfield      #4                  // Field v:I
             5: iload_1
             6: iadd
             7: putfield      #4                  // Field v:I
            10: return
          LineNumberTable:
            line 10: 0
            line 11: 10
            
      public void sub(int);
        descriptor: (I)V
        flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=3, locals=4, args_size=2
             0: aload_0
             1: getfield      #3                  // Field lock:Ljava/lang/Object;
             4: dup
             5: astore_2
             6: monitorenter
             7: aload_0
             8: dup
             9: getfield      #4                  // Field v:I
            12: iload_1
            13: isub
            14: putfield      #4                  // Field v:I
            17: aload_2
            18: monitorexit
            19: goto          27
            22: astore_3
            23: aload_2
            24: monitorexit
            25: aload_3
            26: athrow
            27: return
          Exception table:
             from    to  target type
                 7    19    22   any
                22    25    22   any
          LineNumberTable:
            line 14: 0
            line 15: 7
            line 16: 17
            line 17: 27
            
      public static synchronized void multi(int);
        descriptor: (I)V
        flags: (0x0029) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED
        Code:
          stack=2, locals=1, args_size=1
             0: getstatic     #5                  // Field a:I
             3: iload_0
             4: imul
             5: putstatic     #5                  // Field a:I
             8: return
          LineNumberTable:
            line 20: 0
            line 21: 8
    
      public static void div(int);
        descriptor: (I)V
        flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
          stack=2, locals=3, args_size=1
             0: ldc           #6                  // class com/shawn/study/deep/in/java/concurrency/thread/SynchronizedDemo
             2: dup
             3: astore_1
             4: monitorenter
             5: getstatic     #5                  // Field a:I
             8: iload_0
             9: idiv
            10: putstatic     #5                  // Field a:I
            13: aload_1
            14: monitorexit
            15: goto          23
            18: astore_2
            19: aload_1
            20: monitorexit
            21: aload_2
            22: athrow
            23: return
          Exception table:
             from    to  target type
                 5    15    18   any
                18    21    18   any
          LineNumberTable:
            line 24: 0
            line 25: 5
            line 26: 13
            line 27: 23        
    复制代码

从上述展示的字节码可以看出：

add()函数对应的字节码如下所示。实际上，编译器只不过是在函数的flags中添加了ACC\_SYNCHRONIZED标记而已，其他部分跟没有添加synchronized的add()函数的字节码相同。

add()函数对应的字节码如下所示。字节码通过monitorenter和monitorexit来标记synchronized的作用范围。除此之外，对于以下字节码，我们有点需要解释。其一，以下字节码中有两个monitorexit，添加第二个monitorexit的目的是为了在代码抛出异常时仍然能解锁。其二，前面讲到，synchronized可以选择指定使用哪个对象的Monitor锁。具体使用哪个对象的Monitor锁，在字节码中，通过monitorenter前面的几行字节码来指定。

synchronized关键字底层使用的锁叫做Monitor锁。但是，我们无法直接创建和使用Monitor锁。Monitor锁是寄生存在的，每个对象都会拥有一个Monitor锁。如果我们想要使用一个新的Monitor锁，我们只需要使用一个新的对象，并在synchronized关键字后，附带声明要使用哪个对象的Monitor锁即可。

*  当使用sychronized修饰方法的时候，编译器只不过是在函数的flags中添加了ACC\_SYNCHRONIZED标记而已，其他部分跟没有添加synchronized的函数的字节码相同。
 *  当使用synchronized修饰局部代码块的时候，字节码通过monitorenter和monitorexit来标记synchronized的作用范围。但有两点需要再解释一下
    
     *  synchronized关键字底层使用的锁叫做Monitor锁。但是，我们无法直接创建和使用Monitor锁。Monitor锁是寄生存在的，每个对象都会拥有一个Monitor锁，在字节码中，通过monitorenter前面的几行字节码来指定。
     *  以下字节码中有两个monitorexit，添加第二个monitorexit的目的是为了在代码抛出异常时仍然能解锁。

### monitor锁实现原理 ###

synchronized在底层使用不同的锁来实现，重量级锁，轻量级锁，偏向锁等。

实际上，synchronized使用的重量级锁，就是前面提到的对象上的Monitor锁。JVM有不同的实现版本，因此，Monitor锁也有不同的实现方式。在Hotspot JVM实现中，Monitor锁对应的实现类为ObjectMonitor类。因为Hotspot JVM是用C++实现的，所以，ObjectMonitor也是用C++代码定义的。ObjectMonitor包含的代码很多，我们只罗列一些与其基本实现原理相关的成员变量，如下所示。

class ObjectMonitor {
      void*  volatile _object; // 该Monitor锁所属的对象
      void*  volatile _owner;  // 获取到该Monitor锁的线程
      ObjectWaiter* volatile _EntryList; // 存储等待被唤醒的线程
      ObjectWaiter* volatile _cxq ; // 没有获取到锁的线程
      ObjectWaiter* volatile _WaitSet; // 存储调用了wait()的线程
    }
    复制代码

#### monitor如何与对象关联 ####

> \_object表示该Monitor锁所属的对象，但是如何通过对象来找到对应的Monitor锁呢？对象的存储结构如下：

![format_png][]

其中Mark Word是个可变字段，根据不同的场景记录不同的信息，monitor锁的信息就是记录在此。

#### monitor如何实现加锁，解锁 ####

ObjectMonitor Enter方法

互斥锁的基本功能：

*  多个线程竞争获取锁；
 *  没有获取到锁的线程排队等待获取锁；
 *  锁释放之后会通知排队等待锁的线程去竞争锁；
 *  没有获取锁的线程会阻塞，并且对应的内核线程不再分配时间片；
 *  阻塞线程获取到锁之后取消阻塞，并且对应的内核线程恢复分配时间片。

其中加锁源代码如下：

void ObjectMonitor::EnterI(TRAPS) {
      ...
      // Try the lock - TATAS
      if (TryLock (Self) > 0) {
        assert(_succ != Self, "invariant");
        assert(_owner == Self, "invariant");
        assert(_Responsible != Self, "invariant");
        return;
      }
      ...
      // We try one round of spinning *before* enqueueing Self.
      //
      // If the _owner is ready but OFFPROC we could use a YieldTo()
      // operation to donate the remainder of this thread's quantum
      // to the owner.  This has subtle but beneficial affinity
      // effects.
    
      if (TrySpin (Self) > 0) {
        assert(_owner == Self, "invariant");
        assert(_succ != Self, "invariant");
        assert(_Responsible != Self, "invariant");
        return;
      }
      ...
      ObjectWaiter node(Self);
      // Push "Self" onto the front of the _cxq.
      // Once on cxq/EntryList, Self stays on-queue until it acquires the lock.
      // Note that spinning tends to reduce the rate at which threads
      // enqueue and dequeue on EntryList|cxq.
      ObjectWaiter * nxt;
      for (;;) {
        node._next = nxt = _cxq;
        if (Atomic::cmpxchg(&node, &_cxq, nxt) == nxt) break;
    
        // Interference - the CAS failed because _cxq changed.  Just retry.
        // As an optional optimization we retry the lock.
        if (TryLock (Self) > 0) {
          assert(_succ != Self, "invariant");
          assert(_owner == Self, "invariant");
          assert(_Responsible != Self, "invariant");
          return;
        }
      }
      ...
      for (;;) {
        if (TryLock(Self) > 0) break;
        ...
        if ((SyncFlags & 2) && _Responsible == NULL) {
          Atomic::replace_if_null(Self, &_Responsible);
        }
        // park self
        if (_Responsible == Self || (SyncFlags & 1)) {
          TEVENT(Inflated enter - park TIMED);
          Self->_ParkEvent->park((jlong) recheckInterval);
          // Increase the recheckInterval, but clamp the value.
          recheckInterval *= 8;
          if (recheckInterval > MAX_RECHECK_INTERVAL) {
            recheckInterval = MAX_RECHECK_INTERVAL;
          }
        } else {
          TEVENT(Inflated enter - park UNTIMED);
          Self->_ParkEvent->park();
        }
    
        if (TryLock(Self) > 0) break;
        ...
      }
      ...
      if (_Responsible == Self) {
        _Responsible = NULL;
      }
      // 善后处理，比如将当前线程从等待队列 CXQ 中移除
      ...
    }
    
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多个线程竞争获取锁

多个线程同时请求获取Monitor锁时，JVM会通过CAS操作，先检查`_owner`是否是null，如果`_owner`是null，再将自己的Thread对象的地址赋值给`_owner`，那么谁就获取到了monitor锁。

源代码：

int ObjectMonitor::TryLock (Thread * Self) {
       for (;;) {
          void * own = _owner ;
          if (own != NULL) return 0 ;
          if (Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) == NULL) {
             // Either guarantee _recursions == 0 or set _recursions = 0.
             assert (_recursions == 0, "invariant") ;
             assert (_owner == Self, "invariant") ;
             // CONSIDER: set or assert that OwnerIsThread == 1
             return 1 ;
          }
          // The lock had been free momentarily, but we lost the race to the lock.
          // Interference -- the CAS failed.
          // We can either return -1 or retry.
          // Retry doesn't make as much sense because the lock was just acquired.
          if (true) return -1 ;
       }
    }
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源码中有段需要注意的是：先检查再执行这类复合操作是非线程安全的，那么就会存在多个线程有可能同时检查到`_owner`为null的情况，然后都去改变`_owner`。为了解决这个问题，JVM采用CPU提供的`cmpxchg_ptr`指令，通过给总线加锁的方式，来保证了以上CAS操作的线程安全性。

没有获取到锁的线程排队等待获取锁

多个线程竞争Monitor锁，成功获取到锁的线程就去执行代码，没有获取到锁的线程会放入ObjectMonitor的\_cxq单向链表中等待锁

锁释放之后会通知排队等待锁的线程去竞争锁

当持有Monitor锁的线程释放了锁之后，JVM会从`_EntryList`中取出一个线程，再取竞争Monitor锁。

如果`_EntryList`中没有线程，JVM会先将`_CXQ`中所有线程全部搬移到`_EntryList`中，然后再从`_EntryList`中取线程。

没有获取锁的线程会阻塞，并且对应的内核线程不再分配时间片

一个java线程会对应一个内核线程。应用程序会将java线程要执行的代码，交给其对应的内核线程来执行。内核线程在执行过程中，如果没有竞争到锁，则内核线程会调用park()函数将自己阻塞，这样CPU就不再分配时间片给它。

阻塞线程获取到锁之后取消阻塞，并且对应的内核线程恢复分配时间片

持有锁的线程在释放锁之后，从`_EntryList`中取出一个线程时，就会调用unpark()函数，取消对应内核线程的阻塞状态，这样它才能有机会去竞争monitor锁

ObjectMonitor Enter方法总结：

1.  ObjectMonitor 内部通过一个 CXQ 队列保存所有的等待线程
2.  在实际进入队列之前，会反复尝试 lock，在某些系统上会存在 CPU 亲和力的优化
3.  入队的时候，通过 ObjectWaiter 对象将当前线程包裹起来，并且入到 CXQ 队列的头部
4.  入队成功以后，会根据当前线程是否为第一个等待线程做不同的处理
5.  如果是第一个等待线程，会根据一个简单的「退避算法」来有条件的 wait
6.  如果不是第一个等待线程，那么会执行无限期等待
7.  线程的 park 在 posix 系统上是通过 pthread\_cond\_wait() 实现的
8.  当一个线程获得对象锁成功之后，就可以执行自定义的同步代码块了

ObjectMonitor exit方法

当前线程执行完代码块以后，会进入到ObjectMonitor exit方法，释放当前对象锁，方便下一个线程来获取这个锁，下面我们逐步分析下 exit 的实现过程。

exit函数方法较长，但是整体上的结构比较清晰。

void ObjectMonitor::exit(bool not_suspended, TRAPS) {
      for (;;) {
        //...
        ObjectWaiter * w = NULL;
        int QMode = Knob_QMode;
        if (QMode == 2 && _cxq != NULL) {
          //
        }
    
        if (QMode == 3 && _cxq != NULL) {
          //
        }
    
        if (QMode == 4 && _cxq != NULL) {
          //
        }
    
        // ...
    
        if (QMode == 1) {
          //
        } else {
          // QMode == 0 or QMode == 2 
        }
        // ...
      }
    }
    
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上面的 exit 函数整体上分为如下几个部分：

1.  根据 Knob\_QMode 的值和 \_cxq 是否为空执行不同策略
2.  根据一定策略唤醒等待队列中的下一个线程

其中Knob\_QMode这个变量主要用来指定在 exit 的时候 EntryList 和 CXQ 队列之间的唤醒关系，也就是说，当 EntryList 和 CXQ 中都有等待的线程时，因为 exit 之后只能有一个线程得到锁，这个时候选择唤醒哪个队列中的线程是一个值得考虑的事情。JVM默认值为0，我暂时没有找到可以修改Knob\_QMode的方法，除了重新编译JVM源代码，所以，这里我们暂时只讨论Knob\_QMode=0的情况。代码如下：

void ObjectMonitor::exit(bool not_suspended, TRAPS) {
        ...
      for(;;) {
        ObjectWaiter * w = NULL ;
        w = _EntryList  ;
        if (w != NULL) {
          assert (w->TState == ObjectWaiter::TS_ENTER, "invariant") ;
          ExitEpilog (Self, w) ;
          return ;
        }
        w = _cxq ;
        if (w == NULL) continue ;
        for (;;) {
          assert (w != NULL, "Invariant") ;
          ObjectWaiter * u = (ObjectWaiter *) Atomic::cmpxchg_ptr (NULL, &_cxq, w) ;
          if (u == w) break ;
          w = u ;
        }
        assert (w != NULL              , "invariant") ;
        assert (_EntryList  == NULL    , "invariant") ;
        // 抽离出来的QMode == 0 or QMode == 2情况下代码；
        _EntryList = w ;
        ObjectWaiter * q = NULL ;
        ObjectWaiter * p ;
        // 将单向链表构造成双向环形链表；
        for (p = w ; p != NULL ; p = p->_next) {
          guarantee (p->TState == ObjectWaiter::TS_CXQ, "Invariant") ;
          p->TState = ObjectWaiter::TS_ENTER ;
          p->_prev = q ;
          q = p ;
        }
        // _succ表示已经存在唤醒的线程；
        if (_succ != NULL) continue;
        w = _EntryList  ;
        if (w != NULL) {
          guarantee (w->TState == ObjectWaiter::TS_ENTER, "invariant") ;
          ExitEpilog (Self, w) ;
          return ;
        }
      }
    }
    复制代码

1.  若EntryList队列的头节点\_EntryList不为null，那么直接唤醒该头节点封装的线程，然后返回；
2.  1的条件不满足，程序继续向下执行，若cxq队列的头节点\_cxq为null，则跳过当次循环；
3.  若程序继续向下执行说明cxq队列不为空，EntryList队列为空。接下来是一个内嵌的for循环，目的是取出cxq队列中的所有元素，方法是通过一个临时变量指针获得构成队列的整个链表，然后将\_cxq指针置为NULL；
4.  第二个内嵌for循环是`QMode == 0`策略的内容，目的在于将第三步得到的单向链表倾倒(drain)进EntryList队列，具体方法是将\_EntryList指针指向单向链表的头节点，然后通过for循环将单向链表构造成双向环形链表；
5.  通过ExitEpilog函数释放monitor锁并唤醒EntryList队列的头节点；

### 锁优化 ###

#### 锁的类型 ####

对于一个synchronized锁，如果它只被一个线程使用，那么，synchronzied锁底层使用偏向锁来实现。如果它被多个线程交叉使用（你用完我再用），不存在竞争使用的情况，那么，synchronized锁底层使用轻量级锁来实现。如果它存在被竞争使用的情况，那么，synchronized锁底层使用重量级锁来实现。

上面再讲到重量级锁需要用到对象头的Mark Word，实际上，偏向锁和轻量级锁也要用到Mark Word。

无锁在Mark Word中的记录有unused(25bits)、hashCode(31bits)、cms\_free、GC age、偏向1、锁标志位01

偏向锁

偏向锁在Mark Word中的记录有，threadId(51bits)、epoch(2bits)、cms\_free(1bit)、GC age(4bits)、偏向1，锁标志位01

如果我们设置了JVM参数`-XX:BiasedLockingStartupDelay=0`，那么，Mark Word会在对象创建之后，直接进入偏向锁状态。

![format_png 1][]

如上图所示：

1.  当一个对象被创建出来，还没有持有偏向锁，此时Mark Word字段中的threadID为0，当前线程会使用CPU提供的CAS原子操作来竞争这个偏向锁。
2.  当threadID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中threadID设置为当前线程ID
3.  如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（safepoint）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。
4.  如果CAS已经成功获取到偏向锁，那就开始执行代码，如果执行完代码，线程也不会立刻解锁偏向锁，也就是不会更改threadID为0。这是偏向锁有别于轻量级锁和重量级锁。这样做的目的是提高加锁的效率，当同一个线程再次请求这个偏向锁的时候，线程会查看Mark Word，发现还是处于偏向锁状态，并且threadID就是自己的threadID，线程不再需要做任何加锁操作，就可以直接执行业务代码。
5.  偏向锁不会主动解锁，当其他线程尝试获取偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，JVM需要暂停持有偏向锁的线程，然后查看它是否还在使用这个偏向锁，如果线程不再使用这个偏向锁，那么jvm就会将Mark Word设置为无锁状态。如果线程还在使用这个偏向锁，那么虚拟机就将偏向锁升级为轻量级锁。

> jvm需要根据持有偏向锁的线程是否正在使用偏向锁，来决定将锁升级为无锁还是偏向锁，这是一个CAS的复合操作，存在线程安全问题，但又无法使用CPU提供的CAS指令来实现，所以解决方案就是jvm会复用垃圾回收器中的STW功能，来停止持有偏向锁的线程。

轻量级锁和自旋锁

当一个线程去竞争锁时，它会先检查Mark Word的的锁标志位，如果锁标志位是01并且相邻偏向位为0（无锁状态）或锁标志位是00（轻量级锁状态），那么，这就说明锁已经升级到了轻量级锁。

如果是无锁状态，jvm会将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝（官方称之为Displaced Mark Word），其目的主要是为了轻量级锁解锁时快速恢复到无锁状态。

拷贝成功后，JVM将使用CAS操作尝试将Mark Word中的Lock Record指针更新为指向自己的Lock Record。

如果更新成功，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并将对象的Mark Word的标志位设置为“00”，表示此对象已经是轻量级锁状态。

如果更新失败，按理来说应该要升级成重量级锁，但是JVM对此做了优化，JVM首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数（默认是10次，可以使用-XX:PreBlockSpin来更改），或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。

这里有个问题，自旋多少次合适？如果自旋次数太少，有可能刚升级为重量级锁，另一个线程就释放了轻量级锁，这样就很可惜。如果自旋次数很多，CPU就会做了很多无用功。针对这个问题，JVM发明了自适应自旋锁。

自旋锁在JDK1.4.2中引入，使用-XX:+UseSpinning来开启。JDK 6中变为默认开启，并且引入了自适应的自旋锁）。如果上次自旋之后成功等到了另一个线程释放轻量级锁，那么下次自旋的次数就增加，如果上次自旋没有等到等到另一个线程释放轻量级锁，那么下次自旋的次数就减少。

如果线程自旋等待轻量级锁失败，只能将轻量级线程升级为重量级线程。跟偏向锁升级不同的是，轻量级锁升级不需要STW，因为所有的CAS操作都是由硬件提供的原子CAS指令来完成的。

重量级锁

升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。这个就是创建Monitor锁的过程

总结

综上，偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

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#### 锁消除 ####

JVM在执行JIT编译的时候，会根据对代码的逃逸分析，去掉某些没有必要的锁。例如：

public String concat(String s1, String s2){
      StringBuffer buffer = new StringBuffer(); 
      buffer.append(s1).append(s2);
      return buffer.toString();
    }
    复制代码

StringBuffer中的append函数使用了Sychronized修饰，加了锁，但是，buffer是局部变量，不会被多线程共享，更不会在多线程环境下调用它的append()函数，所以append函数的锁可以被优化消除。

#### 锁粗化 ####

JVM在执行JIT编译时，可能会扩大锁的范围，对多个小范围代码的加锁，合并成一个对大范围代码加锁的操作叫做锁粗化。例如：

private StringBuffer buffer = new StringBuffer();
    
    public void reproduce(String s){
      for(int i = 0; i < 10000; i ++){
        buffer.append(s);
      }
    }
    复制代码

执行10000次append，会加锁解锁10000次，通过锁粗化，编译器将append函数的锁去掉，移到for循环外面，这样只需要加锁解锁一次就可以了。

## Synchronized的缺点 ##

1.  无法判断获取锁的状态。
2.  虽然会自动释放锁，但如果如果锁的那个方法执行时间较长就会一直占用着不去释放，不能让使用同一把锁的方法继续执行，影响程序的运行。不能设置超时。
3.  当多个线程尝试获取锁时，未获取到锁的线程会不断的尝试获取锁，而不会发生中断，这样会造成性能消耗。
4.  不能够实现公平锁

作者：Shawn\_Shawn  
原文链接：https://juejin.cn/post/7195569817940672572

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