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浅谈Java并发编程系列(七) —— 深入解析synchronized关键字

piglei / 2353人阅读

摘要:第一个字被称为。经量级锁的加锁过程当一个对象被锁定时,被复制到当前尝试获取锁的线程的线程栈的锁记录空间被复制的官方称为。根据锁对象目前是否处于被锁定状态,撤销偏向后恢复到未锁定或经量级锁定状态。

Synchronized关键字

synchronized的锁机制的主要优势是Java语言内置的锁机制,因此,JVM可以自由的优化而不影响已存在的代码。

任何对象都拥有对象头这一数据结构来支持锁,但是对于较大的对象系统开销会更大一些。

java中的每一个对象都至少包含2个字(24 Bytes for 32bits & 28 Bytes for 64bits, 不包括已压缩的对象)。第一个字被称为Mark Word。这是一个对象的头,它包含了不同的信息,包括锁的相关信息。
第二个字是指向metadata class的指针,metadata class字义了对象的类型。这部分也包含了VMT(Virtual Method Table)。

Mark Word 的结构如下所示:

Mark Word根据最低两位(Tag)的所表示的状态,编码了不同的信息。
如果这个对象没有被用作锁,Mark Word 记录了hashcode和对象年龄(for GC/survivors)。
除此之外,有3种状态对应锁:轻量级锁,重量级锁和偏向锁。

经量级锁

所有现代JVM都引入了经量级锁:

避免将每个对象关联操作系统的mutex/condition变量(重量级锁)

当不存在锁竞争时,使用原子操作来进入退出同步块

如果发生锁竞争,回退到操作系统的重量级锁

引入轻量级锁会提供锁效率,因为大部分锁都不存在竞争。

经量级锁的加锁过程:

当一个对象被锁定时,mark word被复制到当前尝试获取锁的线程的线程栈(Execution stack)的锁记录空间(lock record), 被复制的mark word官方称为displaced mark。

使用CAS操作来尝试使 mark word指向当前线程的锁记录空间(即在mark word中存入使用当前线程锁记录空间的指针——stack pointer)。

如果CAS操作成功,则线程获得锁。

如果CAS操作失败,即表明存在锁竞争,则发生锁膨胀,回退到重量级锁。

锁记录空间中记录了被当前执行方法锁定的对象(通过遍历线程栈找到线程的锁对象)

经量级锁加锁前:

经量级锁加锁后:

经量级锁的解锁过程:

解锁使用CAS来把displaced mark写回对象的mark word中。

如果CAS失败, 表示发生锁竞争:则锁膨胀。(通知其他等待线程锁已释放)

将锁记录空间置为0:如果发生锁膨胀,则用0替换displaced mardk,如果不存在竞争,则CAS将锁记录空间置为0后,停止CAS操作。

偏向锁

偏向锁的引入:

在多处理器上CAS操作可能开销很大。

大多数锁不仅不存在竞争,而且往往由同一个线程使用。

使多带带一个线程获取锁的开销更低。

代价是使另一个线程获取锁开销增大。

偏向锁加锁过程:

当锁对象第一次被线程获取时,VM把对象头中的标志位设为101,即偏向模式。同时使用CAS把获取到这个锁的线程ID记录在对象的mark word中,如果CAS成功,则持有偏向锁的线程以后每次进行这个锁相关的同步块时,不再进行任务同步操作,只进行比较Mark word中的线程ID是否是当前线程的ID。

偏向锁的解锁过程:

当另外一个线程去尝试获取这个锁时,偏向模式结束。根据锁对象目前是否处于被锁定状态,撤销偏向后恢复到未锁定或经量级锁定状态。

VM会停止持有偏向锁的线程(实际上,VM不能停止单一线程,而是在安全点进行的操作)。
遍历持有偏向锁的线程的栈,找到锁记录空间,将displaced mark 写入到最旧的锁记录空间,其他的写0。
更新锁对象的mark word。如果被锁定,则指向最旧的锁记录空间,否则,填入未锁定值。

偏向锁的特点:

偏向于第一个获取锁的线程:

在mark word的Tag中增加一位

001表示无锁状态

101表示偏向或可偏向状态(thread ID ==0 == unlock)

通过CAS来获取偏向锁

对于持有锁的线程接下的锁获取和释放开销非常小(仅仅判断下,不需要CAS同步操作)。

如果另一个线程锁定了偏向锁对象,则偏向锁收回,升级为轻量级锁(增加了另一个线程获取锁的开销)。

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