synchronized与Lock

超、凢脫俗 2023-10-11 11:53 65阅读 0赞

# synchronized / Lock #

1.JDK 1.5之前，Java通过synchronized关键字来实现锁功能

*  synchronized是JVM实现的内置锁，锁的获取和释放都是由JVM隐式实现的

2.JDK 1.5，并发包中新增了Lock接口来实现锁功能

*  提供了与synchronized类似的同步功能，但需要显式获取和释放锁

3. Lock同步锁是基于Java实现的，而synchronized是基于底层操作系统的Mutex Lock实现的

*  每次获取和释放锁都会带来用户态和内核态的切换，从而增加系统的性能开销
 *  在锁竞争激烈的情况下，synchronized同步锁的性能很糟糕
 *  在JDK 1.5，在单线程重复申请锁的情况下，[synchronized锁][synchronized]性能要比Lock的性能差很多

4.JDK 1.6，Java对synchronized同步锁做了充分的优化，甚至在某些场景下，它的性能已经超越了Lock同步锁

# 实现原理 #

public class SyncTest {
      
     public synchronized void method1() {
      
     }
     public void method2() {
      
     Object o = new Object();
     synchronized (o) {
      
     }
     }
    }
    $ javac -encoding UTF-8 SyncTest.java
    $ javap -v SyncTest

# 修饰方法 #

public synchronized void method1();
     descriptor: ()V
     flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
     Code:
     stack=0, locals=1, args_size=1
     0: return

1.  JVM使用ACC\_SYNCHRONIZED访问标识来区分一个方法是否为同步方法
2.  在方法调用时，会检查方法是否被设置了ACC\_SYNCHRONIZED访问标识

*  如果是，执行线程会将先尝试持有Monitor对象，再执行方法，方法执行完成后，最后释放Monitor对象

# 修饰代码块 #

public void method2();
     descriptor: ()V
     flags: ACC_PUBLIC
     Code:
     stack=2, locals=4, args_size=1
     0: new #2 // class java/lang/Object
     3: dup
     4: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
     7: astore_1
     8: aload_1
     9: dup
     10: astore_2
     11: monitorenter
     12: aload_2
     13: monitorexit
     14: goto 22
     17: astore_3
     18: aload_2
     19: monitorexit
     20: aload_3
     21: athrow
     22: return

1.  synchronized修饰同步代码块时，由monitorenter和monitorexit指令来实现同步
2.  进入monitorenter指令后，线程将持有该Monitor对象，进入monitorexit指令，线程将释放该Monitor对象

# 管程模型 #

1.JVM中的同步是基于进入和退出管程（Monitor）对象实现的

2.每个Java对象实例都会有一个Monitor，Monitor可以和Java对象实例一起被创建和销毁

3.Monitor是由ObjectMonitor实现的，对应ObjectMonitor.hpp

4.当多个线程同时访问一段同步代码时，会先被放在EntryList中

5.当线程获取到Java对象的Monitor时（Monitor是依靠底层操作系统的Mutex Lock来实现互斥的）

*  线程申请Mutex成功，则持有该Mutex，其它线程将无法获取到该Mutex

6.进入WaitSet

*  竞争锁失败的线程会进入WaitSet
 *  竞争锁成功的线程如果调用wait方法，就会释放当前持有的Mutex，并且该线程会进入WaitSet
 *  进入WaitSet的进程会等待下一次唤醒，然后进入EntryList重新排队
 *  参考http://www.wityx.com/post/438\_1\_1.html

7.如果当前线程顺利执行完方法，也会释放Mutex

8.Monitor依赖于底层操作系统的实现，存在用户态和内核态之间的切换，所以增加了性能开销

![Java性能之synchronized锁的优化][Java_synchronized]

ObjectMonitor() {
      
     _header = NULL;
     _count = 0; // 记录个数
     _waiters = 0,
     _recursions = 0;
     _object = NULL;
     _owner = NULL; // 持有该Monitor的线程
     _WaitSet = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入 _WaitSet
     _WaitSetLock = 0 ;
     _Responsible = NULL ;
     _succ = NULL ;
     _cxq = NULL ;
     FreeNext = NULL ;
     _EntryList = NULL ; // 多个线程访问同步块或同步方法，会首先被加入 _EntryList
     _SpinFreq = 0 ;
     _SpinClock = 0 ;
     OwnerIsThread = 0 ;
     _previous_owner_tid = 0;
    }

# 锁升级优化 #

1.  为了提升性能，在JDK 1.6引入偏向锁、轻量级锁、重量级锁，用来减少锁竞争带来的上下文切换
2.  借助JDK 1.6新增的Java对象头，实现了锁升级功能

# Java对象头 #

1.  在JDK 1.6的JVM中，对象实例在堆内存中被分为三部分：对象头、实例数据、对齐填充
2.  对象头的组成部分：Mark Word、指向类的指针、数组长度（可选，数组类型时才有）
3.  Mark Word记录了对象和锁有关的信息，在64位的JVM中，Mark Word为64 bit
4.  锁升级功能主要依赖于Mark Word中锁标志位和是否偏向锁标志位
5.  synchronized同步锁的升级优化路径：偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁，参考http://www.wityx.com/post/462\_1\_1.html

![Java性能之synchronized锁的优化][Java_synchronized 1]

# 偏向锁 #

1.  偏向锁主要用来优化同一线程多次申请同一个锁的竞争，在某些情况下，大部分时间都是同一个线程竞争锁资源
2.  偏向锁的作用

*  当一个线程再次访问同一个同步代码时，该线程只需对该对象头的Mark Word中去判断是否有偏向锁指向它
 *  无需再进入Monitor去竞争对象（避免用户态和内核态的切换）

1.  当对象被当做同步锁，并有一个线程抢到锁时

*  锁标志位还是01，是否偏向锁标志位设置为1，并且记录抢到锁的线程ID，进入偏向锁状态

1.  偏向锁不会主动释放锁

*  当线程1再次获取锁时，会比较当前线程的ID与锁对象头部的线程ID是否一致，如果一致，无需CAS来抢占锁
 *  如果不一致，需要查看锁对象头部记录的线程是否存活
 *  如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态（也是一种撤销），然后重新偏向线程2
 *  如果存活，查找线程1的栈帧信息
 *  如果线程1还是需要继续持有该锁对象，那么暂停线程1（STW），撤销偏向锁，升级为轻量级锁，参考http://www.wityx.com/post/470\_1\_1.html
 *  如果线程1不再使用该锁对象，那么将该锁对象设为无锁状态（也是一种撤销），然后重新偏向线程2

1.  一旦出现其他线程竞争锁资源时，偏向锁就会被撤销

*  偏向锁的撤销可能需要等待全局安全点，暂停持有该锁的线程，同时检查该线程是否还在执行该方法
 *  如果还没有执行完，说明此刻有多个线程竞争，升级为轻量级锁；如果已经执行完毕，唤醒其他线程继续CAS抢占

1.  在高并发场景下，当大量线程同时竞争同一个锁资源时，偏向锁会被撤销，发生STW，加大了性能开销

*  默认配置
 *  \-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=4000
 *  默认开启偏向锁，并且延迟生效，因为JVM刚启动时竞争非常激烈
 *  关闭偏向锁
 *  \-XX:-UseBiasedLocking
 *  直接设置为重量级锁
 *  \-XX:+UseHeavyMonitors

红线流程部分：偏向锁的获取和撤销

![Java性能之synchronized锁的优化][Java_synchronized 2]

# 轻量级锁 #

1.  当有另外一个线程竞争锁时，由于该锁处于偏向锁状态
2.  发现对象头Mark Word中的线程ID不是自己的线程ID，该线程就会执行CAS操作获取锁

*  如果获取成功，直接替换Mark Word中的线程ID为自己的线程ID，该锁会保持偏向锁状态
 *  如果获取失败，说明当前锁有一定的竞争，将偏向锁升级为轻量级锁

1.  线程获取轻量级锁时会有两步

*  先把锁对象的Mark Word复制一份到线程的栈帧中（DisplacedMarkWord），主要为了保留现场!!
 *  然后使用CAS，把对象头中的内容替换为线程栈帧中DisplacedMarkWord的地址

1.  场景

*  在线程1复制对象头Mark Word的同时（CAS之前），线程2也准备获取锁，也复制了对象头Mark Word
 *  在线程2进行CAS时，发现线程1已经把对象头换了，线程2的CAS失败，线程2会尝试使用自旋锁来等待线程1释放锁

1.  轻量级锁的适用场景：线程交替执行同步块，绝大部分的锁在整个同步周期内都不存在长时间的竞争

红线流程部分：升级轻量级锁

![Java性能之synchronized锁的优化][Java_synchronized 3]

# 自旋锁 / 重量级锁 #

1.  轻量级锁CAS抢占失败，线程将会被挂起进入阻塞状态

*  如果正在持有锁的线程在很短的时间内释放锁资源，那么进入阻塞状态的线程被唤醒后又要重新抢占锁资源

1.  JVM提供了自旋锁，可以通过自旋的方式不断尝试获取锁，从而避免线程被挂起阻塞，参考[http://www.wityx.com/post/438\_1\_1.html][synchronized]
2.  从JDK 1.7开始，自旋锁默认启用，自旋次数不建议设置过大（意味着长时间占用CPU）

*  \-XX:+UseSpinning -XX:PreBlockSpin=10

1.  自旋锁重试之后如果依然抢锁失败，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位为10

*  在这个状态下，未抢到锁的线程都会进入Monitor，之后会被阻塞在WaitSet中

1.  在锁竞争不激烈且锁占用时间非常短的场景下，自旋锁可以提高系统性能

*  一旦锁竞争激烈或者锁占用的时间过长，自旋锁将会导致大量的线程一直处于CAS重试状态，占用CPU资源

1.  在高并发的场景下，可以通过关闭自旋锁来优化系统性能

*  \-XX:-UseSpinning
 *  关闭自旋锁优化
 *  \-XX:PreBlockSpin
 *  默认的自旋次数，在JDK 1.7后，由JVM控制

#  #

![Java性能之synchronized锁的优化][Java_synchronized 4]

# 小结 #

1.JVM在JDK 1.6中引入了分级锁机制来优化synchronized

2.当一个线程获取锁时，首先对象锁成为一个偏向锁

*  这是为了避免在同一线程重复获取同一把锁时，用户态和内核态频繁切换

3.如果有多个线程竞争锁资源，锁将会升级为轻量级锁

*  这适用于在短时间内持有锁，且分锁交替切换的场景
 *  轻量级锁还结合了自旋锁来避免线程用户态与内核态的频繁切换

4.如果锁竞争太激烈（自旋锁失败），同步锁会升级为重量级锁

5.优化synchronized同步锁的关键：减少锁竞争

*  应该尽量使synchronized同步锁处于轻量级锁或偏向锁，这样才能提高synchronized同步锁的性能，参考http://www.wityx.com/post/470\_1\_1.html
 *  常用手段
 *  减少锁粒度：降低锁竞争
 *  减少锁的持有时间，提高synchronized同步锁在自旋时获取锁资源的成功率，避免升级为重量级锁

6.在锁竞争激烈时，可以考虑禁用偏向锁和禁用自旋锁

[synchronized]: http://www.wityx.com/post/438_1_1.html
[Java_synchronized]: http://p1.pstatp.com/large/pgc-image/90a50993408740b785aed842583d6e98
[Java_synchronized 1]: http://p1.pstatp.com/large/pgc-image/7b2ccc4d4fa4421fad18cd50092d6c86
[Java_synchronized 2]: http://p3.pstatp.com/large/pgc-image/ea0f3aa86c23404a9a9cfc106bd46c9a
[Java_synchronized 3]: http://p3.pstatp.com/large/pgc-image/053915b51c9d41649ff20f6f69d2fcfc
[Java_synchronized 4]: http://p3.pstatp.com/large/pgc-image/1e564e24ea64426cb432bd8790bee640