synchronized底层揭秘

 

前言

上篇文章咱们从硬件级别探索，对可见性和有序性的认识上升了一个高度，却迟迟没有介绍原子性的解决方案。

今天咱们就来聊一聊原子性的解决方案，锁。

引入锁机制，除了能够保证原子性，同时也能够保证可见性和有序性。

相信小伙伴们对于synchronized互斥锁必定很熟悉，可是你懂它的实现原理吗，今天就让咱们一块儿来揭开它的神秘面纱吧。

 

synchronized的原子性

首先咱们来看一下synchronized是怎么保证原子性的。

其实往最简单了解释，仍是比较容易理解的。synchronized加锁主要靠的是monitor，monitor在java里能够理解成一个监视器，在操做系统里它又被称为管程。

简单的模型以下图：

当咱们的程序经过synchronized锁定一个对象的时候，这个对象会关联一个monitor，获取锁时会对monitor中的计数器进行+1操做，释放锁的时候进行-1操做，同时也是支持可重入的，同一个线程再次获取该对象的锁，计数器就再+1。

若是计数器为0就表明彻底释放了锁，其余线程能够获取锁。

若是线程调用了wait方法，会释放锁资源，同时把线程放入waitset中，等待notifyall方法唤醒，唤醒后从新开始竞争锁资源。

这就是sychronized锁的最简单的解释，咱们固然不会知足于此，接下来咱们继续深刻研究一下。

先看一段代码：

MyLock lock = new MyLock();//一个自定义的锁对象
sychronized(lock){
//...
}

java的对象在内存中存储的布局能够分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头包含Mark Word(包含hashcode、锁数据、GC信息等)和Class MetaData Address(指向Class对象的指针)。

实例数据就是咱们在对象里存放的那些数据。

java要求对象大小为8字节的整数倍，对齐填充就是用来填充字节的，没有其余意义。

Mark Word会指向一个monitor，这个monitor是C++实现的一个Object Monitor对象，首先线程在获取锁时，先进入到entry list中，而后经过CAS对count计数器进行+1操做，若是+1成功表明获取到锁，此时就会把该线程的信息放入owner中，owner就是用来存储当前获取到锁的线程的。总体结构如图所示：

 

 

 

 

sychronized的可见性

在说可见性以前，咱们先引入两个概念：Store屏障和Load屏障。

Store屏障就是强制CPU执行flush操做，Load屏障就是强制CPU执行refresh操做。

flush和refresh咱们上篇文章已经说过，这里就再也不解释了。

那sychronized是如何实现可见性的呢，其实就是利用了内存屏障。以下：

sychronized(this){
   // monitorenter
   // Load内存屏障
   //...  
}
//monitorexit
//Store内存屏障

 

sychronized的有序性

一样在说有序性以前引入两个新的内存屏障：Acquire屏障和Release屏障。

Acquire屏障能够禁止读操做和其余读写操做之间发生指令重排，Release屏障能够禁止写操做和其余读写操做之间发生指令重排。

那sychronized是如何实现有序性的呢，其实就是利用了这两个内存屏障。以下：

sychronized(this){
   // monitorenter
   // Load内存屏障
   // Acquire内存屏障
   //...  
   //Release内存屏障
}
 //monitorexit
 //Store内存屏障

须要注意的是Acquire屏障和Release屏障保证的是sychronized内部的代码不会与外部的代码之间发生指令重排，内部的代码本身仍是可能发生指令重排的。

 

sychronized的锁优化

jdk1.6后jvm对sychronized进行了锁优化，这部分咱们作个概念了解就能够了。

1.锁消除

锁消除是JIT编译器对sychronized的优化，在编译的时候会经过逃逸分析技术，来分析锁对象。若是只有一个线程来加锁和解锁，没有锁竞争，那就没有必要加锁，会去掉monitorenter和monitorexit指令。

2.锁粗化

这个意思是，若是有多个连续的加锁释放锁操做，那么编译后会变成一把锁。

例如

sychronized(this){}

sychronized(this){}

sychronized(this){}

连着三个加锁操做，编译后会变成一个。

3.偏向锁

偏向锁主要是为了减小monitorenter和monitorexit指令的CAS操做，减小开销，若是认为当前锁大几率只有一个线程来竞争，那么就会给这个锁维护好一个偏好Bias，以后该线程加锁和释放锁都经过这个Bias来执行，不须要去执行CAS了。

可是若是发现有其余线程来竞争锁，就会收回以前分配好的偏好。

4.轻量级锁

若是偏向锁没能实现，也就是说有多个线程竞争锁，那么就会采用轻量级锁。

其实就是将对象里的轻量级锁指针指向一个已经获取了锁的线程，而后判断一下是否是本身加的锁，若是是就直接执行，若是不是说明有其余线程加了锁，就会升级为重量级锁，重量级锁流程咱们上文中介绍原子性的时候已经说过了。

5.适应性自旋锁

在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复的花费可能会让系统得不偿失。为了让当前线程“稍等一下”，咱们需让当前线程进行自旋。

若是在自旋完成后前面锁同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就能够没必要阻塞而是直接获取同步资源，从而避免了切换线程的开销。这就是自旋锁。

适应性自旋锁意味着自旋的时间（次数）再也不固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

 

总结

到这里，有关synchronized的底层实现咱们基本上已经聊完了。

使用锁来保证原子性，使用内存屏障来保证可见性和有序性。

同时jvm又对sychronized作了一些优化。

相信小伙伴们理解了本文的内容，会收获颇丰。

那咱们下次再见。

 

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