剑指JUC原理-5.synchronized底层原理
Java对象头
以32位虚拟机为例:
普通对象
在Java虚拟机中,每个对象都有一个对象头(Object Header),其中包含了一些用于管理对象的元数据信息。对象头通常由两部分组成:mark word(标记字)和klass word(类指针字)。
Mark Word(标记字):Mark Word是用于存储对象的运行时数据和锁相关的信息。它的具体结构和含义可能因不同的虚拟机实现而有所差异,但通常包含以下信息:
- 对象的哈希码(Hash Code):用于快速比较对象是否相等。
- GC相关信息:标记对象是否被垃圾回收器标记为可回收、是否被锁定等。
- 锁状态:用于支持对象的同步机制,如偏向锁、轻量级锁、重量级锁等。
- 并发标记:用于并发垃圾回收算法中的标记过程。
Klass Word(类指针字):Klass Word是指向对象所属类的指针。它指向对象的类元数据(Class Metadata),包含了类的方法、字段、父类、接口等信息。通过Klass Word,可以确定对象的类型,并进行动态分派,即在运行时根据对象的实际类型调用相应的方法。
对象头中的mark word和klass word在Java虚拟机中起着重要的作用,用于管理对象的状态、锁定机制和类型信息等。它们是实现Java语言特性和虚拟机功能的关键元素。
通过看对象头的位数,占8个字节
其中int占 4 个字节,Integer 占用4个字节 + 8个字节的对象头,一个Integer大int三倍,所以在内存很敏感的场景,建议使用int。
Mark Word结构
这个部分后面再详细讲解,这里其实可以理解为各种锁的状态
Monitor原理
Monitor 被翻译为监视器或管程
每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象,如果使用 synchronized 给对象上锁(重量级)之后,该对象头的
Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针
Monitor 结构如下
- 刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
- 当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2,Monitor中只能有一
个 Owner - 在 Thread-2 上锁的过程中,如果 Thread-3,Thread-4,Thread-5 也来执行 synchronized(obj),就会进入
EntryList BLOCKED - Thread-2 执行完同步代码块的内容,然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁,竞争的时是非公平的
- 图中 WaitSet 中的 Thread-0,Thread-1 是之前获得过锁,但条件不满足进入 WAITING 状态的线程,后面讲
wait-notify 时会分析
注意:
- synchronized 必须是进入同一个对象(每个对象关联一个monitor )的 monitor 才有上述的效果
- 不加 synchronized 的对象不会关联监视器,不遵从以上规则
synchronized 原理
static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
synchronized (lock) {
counter++;
}
}
对应的字节码为:
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: getstatic #2 // <- lock引用 (synchronized开始)拿到lock锁
3: dup // 复制一份
4: astore_1 // lock引用 -> slot 1 将其存储到临时变量slot1里面,以后解锁时使用
5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
6: getstatic #3 // <- i
9: iconst_1 // 准备常数 1
10: iadd // +1
11: putstatic #3 // -> i 6 9 10 11 做的是i++操作
14: aload_1 // <- lock引用 拿到slot1中临时的引用地址了
15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
16: goto 24 // 执行到24 代码就结束了
19: astore_2 // e -> slot 2
20: aload_1 // <- lock引用
21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
22: aload_2 // <- slot 2 (e)
23: athrow // throw e 而19~23涉及到 发生异常时 锁时如何释放的
24: return
Exception table:
from to target type
6 16 19 any
19 22 19 any
LineNumberTable:
line 8: 0
line 9: 6
line 10: 14
line 11: 24
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 25 0 args [Ljava/lang/String;
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 255 /* full_frame */
offset_delta = 19
locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]
stack = [ class java/lang/Throwable ]
frame_type = 250 /* chop */
offset_delta = 4
从头开始读 这段字节码:本质上就是获取锁,保存引用,然后讲锁对象的markword与monitor关联,然后执行锁中的内容,最终锁内容结束,释放并唤醒EntryList中的其他线程。
synchronized进阶小故事
- 老王 - JVM
- 小南 - 线程
- 小女 - 线程
- 房间 - 对象
- 房间门上 - 防盗锁 - Monitor
- 房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
- 房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
- 批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
- 不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁,设置该类不可偏向
小南要使用房间保证计算不被其它人干扰(原子性),最初,他用的是防盗锁(monitor),当上下文切换时,锁住门。这样,
即使他离开了,别人也进不了门,他的工作就是安全的。
但是,很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间,但使用的时间上是错开的,小南白天用,小女
晚上用。每次上锁太麻烦了,有没有更简单的办法呢?
小南和小女商量了一下,约定不锁门了,而是谁用房间,谁把自己的书包挂在门口,但他们的书包样式都一样,因
此每次进门前得翻翻书包,看课本是谁的,如果是自己的,那么就可以进门,这样省的上锁解锁了。万一书包不是
自己的,那么就在门外等,并通知对方下次用锁门的方式。
后来,小女回老家了,很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包,翻书包,虽然比锁门省事了,但仍
然觉得麻烦。
于是,小南干脆在门上刻上了自己的名字:【小南专属房间,其它人勿用】,下次来用房间时,只要名字还在,那
么说明没人打扰,还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间,那么由使用者将小南刻的名字擦
掉,升级为挂书包的方式。
同学们都放假回老家了,小南就膨胀了,在 20 个房间刻上了自己的名字,想进哪个进哪个。后来他自己放假回老
家了,这时小女回来了(她也要用这些房间),结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字,升级为挂书包的方式。老
王觉得这成本有点高,提出了一种批量重刻名的方法,他让小女不用挂书包了,可以直接在门上刻上自己的名字
后来,刻名的现象越来越频繁,老王受不了了:算了,这些房间都不能刻名了,只能挂书包
synchronized 原理进阶
轻量级锁
轻量级锁的使用场景:如果一个对象虽然有多线程要加锁,但加锁的时间是错开的(也就是没有竞争,如果有竞争会升级为重量级锁),那么可以使用轻量级锁来优化。
轻量级锁对使用者是透明的,即语法仍然是 synchronized
static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
}
}
创建锁记录(Lock Record)对象,每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构,内部可以存储锁定对象的
Mark Word
让锁记录中 Object reference 指向锁对象,并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word,将 Mark Word 的值存
入锁记录
锁记录替换对象头中的MarkWord
如果 cas 替换成功,对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ,表示由该线程给对象加锁,这时图示如下
如果 cas 失败,有两种情况
- 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁,这时表明有竞争,进入锁膨胀过程
- 如果是自己执行了 synchronized 锁重入,那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
当退出 synchronized 代码块(解锁时)如果有取值为 null 的锁记录,表示有重入,这时重置锁记录,表示重
入计数减一
当退出 synchronized 代码块(解锁时)锁记录的值不为 null,这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头
- 成功,则解锁成功
- 失败,说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁,进入重量级锁解锁流程
锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中,CAS 操作无法成功,这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁(有竞争),这时需要进行锁膨胀,将轻量级锁变为重量级锁。
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块
}
}
当 Thread-1 进行轻量级加锁时,Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
这时 Thread-1 加轻量级锁失败,进入锁膨胀流程
- 即为 Object 对象申请 Monitor 锁,让 Object 指向重量级锁地址
- 然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
当 Thread-0 退出同步块解锁时,使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头,失败。这时会进入重量级解锁
流程,即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象,设置 Owner 为 null,唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程
自旋优化
重量级锁竞争的时候,还可以使用自旋(不阻塞,多进行几次循环)来进行优化,如果当前线程自旋成功(即这时候持锁线程已经退出了同步块,释放了锁),这时当前线程就可以避免阻塞(因为阻塞,线程会发生一次上下文切换,极大的浪费性能)。
自旋重试成功的情况
自旋重试失败的情况
自旋会占用 CPU 时间,单核 CPU 自旋就是浪费,多核 CPU 自旋才能发挥优势。
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的,比如对象刚刚的一次自旋操作成功过,那么认为这次自旋成功的可能性会
高,就多自旋几次;反之,就少自旋甚至不自旋,总之,比较智能。
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
偏向锁
轻量级锁在没有竞争时(就自己这个线程),每次重入仍然需要执行 CAS 操作。
Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化:只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头,之后发现
这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争,不用重新 CAS。以后只要不发生竞争,这个对象就归该线程所有
static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
m2();
}
}
public static void m2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
m3();
}
}
public static void m3() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 C
}
}
偏向状态
偏向锁 使用情况,冲突很少的时候,就一个线程
如果使用场景是多线程,经常竞争,那么偏向锁就不合适了
回忆一下对象头格式
一个对象创建时:
- 如果开启了偏向锁(默认开启),那么对象创建后,markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101,这时它的
thread、epoch、age 都为 0 - 偏向锁是默认是延迟的,不会在程序启动时立即生效,如果想避免延迟,可以加 VM 参数 -
XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
class Dog {}
// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public static void main(String[] args) throws IOException {
Dog d = new Dog();
ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
new Thread(() -> {
log.debug("synchronized 前");
System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug("synchronized 中");
System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
}
log.debug("synchronized 后");
System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
}, "t1").start();
}
输出:
11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101
可以从输出中看到,主线程切换了,以后对应的dog对象就给主线程用了。
注意:处于偏向锁的对象解锁后,线程 id 仍存储于对象头中
- 如果没有开启偏向锁,那么对象创建后,markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001,这时它的 hashcode、
age 都为 0,第一次用到 hashcode 时才会赋值
在上面测试代码运行时在添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁
输出:
11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
可以看到,没有偏向锁了,只有轻量级锁了。(第四行的最后两位00就是轻量锁的标志)
撤销 - 调用对象 hashCode
调用了对象的 hashCode,但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id,如果调用 hashCode 会导致偏向锁被
撤销,如图所示:
- 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
- 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode
在调用 hashCode 后使用偏向锁,记得去掉 -XX:-UseBiasedLocking
输出
11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
可以看到,调用之后只能走 轻量级锁了。
撤销 - 其它线程使用对象
当有其它线程使用偏向锁对象时,会将偏向锁升级为轻量级锁
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
synchronized (TestBiased.class) {
TestBiased.class.notify();
}
// 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释
// 因为:t1 线程不能结束,否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程,底层线程 id 是一样的
/*try {
System.in.read();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}*/
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (TestBiased.class) {
try {
TestBiased.class.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}, "t2");
t2.start();
}
输出
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
撤销 - 调用 wait/notify
前面学习了 重量级锁,轻量级锁,偏向锁的概念,纵观这三个概念,发现 wait/notify 只有重量锁的概念中涉及了。
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
try {
d.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t1");
t1.start();
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(6000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (d) {
log.debug("notify");
d.notify();
}
}, "t2").start();
输出:
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101
[t2] - notify
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010
可以看到,t1最终以10结尾。
批量重偏向
如果对象虽然被多个线程访问,但没有竞争,这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2,重偏向会重置对象的 Thread ID
当**撤销偏向锁(对性能也是有一定损耗的)**阈值超过 20 次后,jvm 会这样觉得,我是不是偏向错了呢,于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
Vector<Dog> list = new Vector<>();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = new Dog();
list.add(d);
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}
synchronized (list) {
list.notify();
}
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (list) {
try {
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t2");
t2.start();
输出:
[t1] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t1] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
因为阈值是20次,以第20次作比较发现,其偏向的线程确实改变了
批量撤销
当撤销偏向锁阈值超过 40 次后,jvm 会这样觉得,自己确实偏向错了,根本就不该偏向。于是整个类的所有对象
都会变为不可偏向的,新建的对象也是不可偏向的
Vector<Dog> list = new Vector<>();
int loopNumber = 39;
t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = new Dog();
list.add(d);
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}
LockSupport.unpark(t2);
}, "t1");
t1.start();
t2 = new Thread(() -> {
LockSupport.park();
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
LockSupport.unpark(t3);
}, "t2");
t2.start();
t3 = new Thread(() -> {
LockSupport.park();
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t3");
t3.start();
t3.join();
log.debug(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintableSimple(true));
首先先执行t1,偏向都是t1
然后执行t2, 前十九次一开始先是偏向,然后变成轻量级锁,最后变为不可偏向(偏向撤销),后二十次又变成了偏向锁t2
然后执行t3,由于 其它线程使用了对象锁,所以偏向状态升级为了轻量级锁,从一开始就是不可偏向的,前19次都是这样的,从第20次开始执行的是撤销操作(相当于总共到了四十次)所以所有的对象都变成了不可偏向的状态
锁消失
public void a() throws Exception {
x++;
}
public void b() throws Exception {
Object o = new Object();
synchronized (o) {
x++;
}
}
因为有JIT编译器,会对Java字节码做进一步优化
所以当加锁会影响性能的时候,会自动在编译的过程中消除锁