深入分析 Synchronized 原理

我們?cè)陂_發(fā)中肯定會(huì)遇到在同一個(gè) JVM 中，存在多個(gè)線程同時(shí)操作同一個(gè)資源時(shí)，此時(shí)需要想要確保操作的結(jié)果滿足預(yù)期，就需要使用同步方法。

官方解釋：同步方法支持一種簡(jiǎn)單的策略來防止線程干擾和內(nèi)存一致性錯(cuò)誤：如果一個(gè)對(duì)象對(duì)多個(gè)線程可見，則對(duì)該對(duì)象變量的所有讀取或?qū)懭攵际峭ㄟ^同步方法完成的。

官方推薦使用的同步方法 (JDK 1.6后)：Synchronized 基于 JVM 實(shí)現(xiàn)(此次主角);當(dāng)然還有 ReentrantLock 基于 JDK 實(shí)現(xiàn)的。

我們先簡(jiǎn)單地?zé)醾€(gè)身，舉一個(gè)常用 synchronized 的方式(鎖的是該類的實(shí)例對(duì)象)。

public class SynchronizedCodeTest {
    public void testSynchronized() throws InterruptedException {
        synchronized (this) {
            System.out.println("進(jìn)入同步代碼塊");
            Thread.sleep(100);
            System.out.println("離開同步代碼塊");
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new SynchronizedCodeTest().testSynchronized();
    }
}

Synchronized 常用場(chǎng)景

任何對(duì)象(都有Mark Word結(jié)構(gòu)，后面會(huì)詳細(xì)描述) 都可以能作為 synchronized 鎖的對(duì)象，根據(jù)使用的方式不同，鎖的對(duì)象和對(duì)應(yīng)的粒度也是有所不同。

并發(fā)編程三大特性

簡(jiǎn)單回顧了下 synchronized ，一聊到鎖就會(huì)提到 原子性、有序性、可見性，簡(jiǎn)單的介紹下這些(就不具體展開說明了，有需要的讀者可以查閱相關(guān)資料，或者感興趣的話我后續(xù)補(bǔ)充)。

原子性

原子性：一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。

簡(jiǎn)單理解為：如果將下單和支付2個(gè)操作看作一個(gè)整體，只要其中一個(gè)操作失敗了，都算失敗，反之成功。

有序性

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

大家可能或多或少，有聽說過 Java 為了提高性能允許重排序(編譯器重排序 和 處理器重排序)，因此程序執(zhí)行可能出現(xiàn)亂序也是由此而來。

簡(jiǎn)單理解為：有序性保證了 同樣的代碼 在多線程和單線程執(zhí)行的最后結(jié)果相同，按照代碼的先后順序執(zhí)行。

可見性

可見性：當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

某個(gè)類的一個(gè)成員變量 Integer A = 0;

# 線程1執(zhí)行操作
  A = 10；
# 與此同時(shí) 線程2執(zhí)行操作(B的值是0，而不是10，這就是可見性的問題)
  Integer B = A; 

# 常用的解決方案使用：volatile修飾 A 或者 使用synchronized修飾代碼塊 都可以解決這個(gè)問題

既然提到 synchronized 再多延伸出2個(gè)特性。

可重入性

synchronized monitor(鎖對(duì)象) 有個(gè)計(jì)數(shù)器，獲取鎖時(shí) 會(huì)記錄當(dāng)前線程獲取鎖的次數(shù)，在執(zhí)行完對(duì)應(yīng)的代碼塊之后，計(jì)數(shù)器就會(huì)-1，直到計(jì)數(shù)器清零，鎖就會(huì)被釋放了。

不可中斷性

不可中斷：一個(gè)線程獲取鎖之后，另外一個(gè)線程處于阻塞或者等待狀態(tài)，前一個(gè)不釋放，后一個(gè)也一直會(huì)阻塞或者等待，不可以被中斷。

Synchronized是不可中斷，而 ReentrantLock是可中斷(二者比較重要的區(qū)別之一)。

Synchronized 字節(jié)碼

介紹完一些基本的特性后，我們正式開始進(jìn)入 synchronized 實(shí)現(xiàn)原理分析。

# 將上面 熱身例子反編譯成字節(jié)碼
javac -verbose SynchronizedCodeTest.java
javap -c SynchronizedCodeTest

我們主要關(guān)注下，monitorenter 和 monitorexit 這2個(gè)指令，對(duì)應(yīng)的是 當(dāng)前線程獲取鎖&計(jì)數(shù)器加一 和 釋放鎖&計(jì)數(shù)器減一。多個(gè)線程獲取對(duì)象的監(jiān)視器monitor獲取是互斥。

對(duì)象，對(duì)象監(jiān)視器，同步隊(duì)列以及執(zhí)行線程狀態(tài)之間的關(guān)系

任意線程對(duì) Object 的訪問，首先要獲得 Object 的監(jiān)視器，如果獲取失敗，該線程就進(jìn)入同步狀態(tài)，線程狀態(tài)變?yōu)?BLOCKED，當(dāng) Object 的監(jiān)視器占有者釋放后，在同步隊(duì)列中得線程就會(huì)有機(jī)會(huì)重新獲取該監(jiān)視器。

Java 對(duì)象頭(Mark Word)

前面提到所有對(duì)象都可以作為synchronized鎖的對(duì)象，在同步的時(shí)候是獲取對(duì)象的monitor,即操作Java對(duì)象頭里的Mark Word 。

下面是32位為JVM Mark Word默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)(無鎖狀態(tài))

• 對(duì)象的 hashCode：25位的對(duì)象標(biāo)識(shí)hashCode，采用延遲加載技術(shù)。調(diào)用方法System.identityHashCode()計(jì)算，并會(huì)將結(jié)果寫到該對(duì)象頭中。當(dāng)對(duì)象加鎖后(偏向、輕量級(jí)、重量級(jí))，MarkWord的字節(jié)沒有足夠的空間保存hashCode，因此該值會(huì)移動(dòng)到管程Monitor中。
• **對(duì)象分代年齡 **：4位的Java對(duì)象年齡。每次 GC 未被回收累加的年齡就記錄在此處，默認(rèn)達(dá)到15次進(jìn)入老年代(-XX:MaxTenuringThreshold 可通過該配置進(jìn)行修改進(jìn)入老年代的閾值，最大值為15[age 只有 4bit])。
• 是否是偏向鎖：1位的偏向鎖標(biāo)志位。
• 鎖標(biāo)志位：2位鎖標(biāo)志位，4種標(biāo)志位后面展示說明。

鎖一共有4種狀態(tài)，級(jí)別從低到高依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，這幾個(gè)狀態(tài)會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)。鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

接下來分別介紹這三種鎖的實(shí)現(xiàn)原理和步驟與上圖結(jié)合思考。

偏向鎖

HotSpot的作者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。

偏向鎖的獲取

當(dāng)一個(gè)線程訪問同步塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要進(jìn)行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡(jiǎn)單地測(cè)試一下對(duì)象頭的Mark Word里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。如果測(cè)試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖。如果測(cè)試失敗，則需要再測(cè)試一下Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1(表示當(dāng)前是偏向鎖)：如果沒有設(shè)置，則使用CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖;如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對(duì)象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程。

偏向鎖的撤銷

偏向鎖使用了一種等到競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，所以當(dāng)其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖。

偏向鎖的獲得和撤銷流程

線程1--展示了偏向鎖獲取的過程。

線程2--展示了偏向鎖撤銷的過程。

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖介于 偏向鎖與重量級(jí)鎖之間，競(jìng)爭(zhēng)的線程不會(huì)阻塞。

輕量級(jí)加鎖

線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會(huì)先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間，并將對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中，官方稱為 Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對(duì)象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。

輕量級(jí)解鎖

輕量級(jí)解鎖時(shí)，會(huì)使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到對(duì)象頭，如果成功，則表示沒有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生。如果失敗，表示當(dāng)前鎖存在競(jìng)爭(zhēng)，鎖就會(huì)膨脹成重量級(jí)鎖。下圖是兩個(gè)線程同時(shí)爭(zhēng)奪鎖，導(dǎo)致鎖膨脹的流程圖。

輕量級(jí)鎖及膨脹流程圖

因?yàn)樽孕龝?huì)消耗CPU，為了避免無用的自旋(比如獲得鎖的線程被阻塞住了)，一旦鎖升級(jí)成重量級(jí)鎖，就不會(huì)再恢復(fù)到輕量級(jí)鎖狀態(tài)。

當(dāng)鎖處于這個(gè)狀態(tài)下，其他線程試圖獲取鎖時(shí)，都會(huì)被阻塞住，當(dāng)持有鎖的線程釋放鎖之后會(huì)喚醒這些線程，被喚醒的線程就會(huì)進(jìn)行新一輪的奪鎖之爭(zhēng)。

重量級(jí)鎖

Synchronized 是通過對(duì)象內(nèi)部的一個(gè)叫做 監(jiān)視器鎖(Monitor)來實(shí)現(xiàn)的。但是監(jiān)視器鎖本質(zhì)又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來實(shí)現(xiàn)的。而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)成本非常高，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，這就是為什么Synchronized效率低的原因。因此，這種依賴于操作系統(tǒng) Mutex Lock 所實(shí)現(xiàn)的鎖我們稱之為 “重量級(jí)鎖”。

三種鎖的比較

分析了原理后，選擇哪種鎖就得看對(duì)應(yīng)適用場(chǎng)景決定。

最后提一個(gè) Synchronzied 避坑點(diǎn)(美團(tuán)大佬分享)：如果你的系統(tǒng)有很明確的 高低峰期，不建議使用 Synchronized，可以考慮使用 ReentrantLock。原因是 上面提到過 Synchronized 鎖的膨脹是不可逆的，導(dǎo)致一旦經(jīng)歷了高峰期后就一直是重量級(jí)鎖，性能也會(huì)由此一直達(dá)到一個(gè)瓶頸上不去了。