Synchronized的底层实现原理(看这篇就够了)

Synchronized的底层实现原理(看这篇就够了)-mikechen的互联网架构师之路

谈到多线程就不得不谈到Synchronized,重要性不言而喻,今天主要分享Synchronized的底层实现。

Synchronized的底层实现原理(看这篇就够了)-mikechen的互联网架构师之路

Synchronized

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

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主要有3种使用方式:

1.修饰实例方法:作用于当前实例加锁

public synchronized void method(){
        // 代码
}

2.修饰静态方法:作用于当前类对象加锁

public static synchronized void method(){

        // 代码

 }

3.修饰代码块:指定加锁对象,对给定对象加锁

synchronized(this){

  //代码                                  

 }

 

Synchronized的底层实现

synchronized的底层实现是完全依赖JVM虚拟机的,所以谈synchronized的底层实现,就不得不谈数据在JVM内存的存储:Java对象头,以及Monitor对象监视器。

1.Java对象头

在JVM虚拟机中,对象在内存中的存储布局,可以分为三个区域:

  • 对象头(Header)
  • 实例数据(Instance Data)
  • 对齐填充(Padding)

Java对象头主要包括两部分数据:

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1)类型指针(Klass Pointer)

是对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例;

2)标记字段(Mark Word)

用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键.

所以,很明显synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的标记字段里。

2.Monitor

monitor描述为对象监视器,可以类比为一个特殊的房间,这个房间中有一些被保护的数据,monitor保证每次只能有一个线程能进入这个房间进行访问被保护的数据,进入房间即为持有monitor,退出房间即为释放monitor。

下图是synchronized同步代码块反编译后的截图,可以很清楚的看见monitor的调用。

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使用syncrhoized加锁的同步代码块在字节码引擎中执行时,主要就是通过锁对象的monitor的取用(monitorenter)与释放(monitorexit)来实现的。

3.线程状态流转在Monitor上体现

当多个线程同时请求某个对象监视器时,对象监视器会设置几种状态用来区分请求的线程:

  • Contention List:所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列
  • Entry List:Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List
  • Wait Set:那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set
  • OnDeck:任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁,该线程称为OnDeck
  • Owner:获得锁的线程称为Owner
  • !Owner:释放锁的线程

下图反映了个状态转换关系:

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Synchronized 的锁升级

锁解决了数据的安全性,但是同样带来了性能的下降,hotspot 虚拟机的作者经过调查发现,大部分情况下,加锁的代码不仅仅不存在多线程竞争,而且总是由同一个线程多次获得。

所以基于这样一个概率,synchronized 在JDK1.6 之后做了一些优化,为了减少获得锁和释放锁来的性能开销,引入了偏向锁、轻量级锁,锁的状态根据竞争激烈的程度从低到高不断升级。

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1.无锁

无锁没有对资源进行锁定,所有的线程都能访问并修改同一个资源,但同时只有一个线程能修改成功。

2.偏向锁

偏向锁是JDK6中引入的一项锁优化,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了偏向锁。

偏向锁会偏向于第一个获得它的线程,如果在接下来的执行过程中,该锁没有被其他的线程获取,则持有偏向锁的线程将永远不需要同步。

3.轻量级锁

是指当锁是偏向锁的时候,被另外的线程所访问,偏向锁就会升级为轻量级锁,其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁,不会阻塞,从而提高性能。

4.重量级锁

指的是原始的Synchronized的实现,重量级锁的特点:其他线程试图获取锁时,都会被阻塞,只有持有锁的线程释放锁之后才会唤醒这些线程。

 

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