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【并发】 synchronized 关键字详解

article 2025/3/11 6:03:20

synchronized 详解

首先，我们需要理解为什么会提供synchronized这个关键字?

public class SyncDemo {
   
    private static int counter = 0;

    public static void increment() {
        counter++;
    }

    public static void decrement() {
        counter--;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                increment();
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                decrement();
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        //思考： counter=？
        log.info("{}", counter);
    }

上面的counter并不是我们预期的结果0，而是一个不确定的非零数

i++的JVM 字节码指令

getstatic i // 获取静态变量i的值

iconst_1 // 将int常量1压入操作数栈

iadd // 自增

i–的JVM 字节码指令

getstatic i // 获取静态变量i的值

iconst_1 // 将int常量1压入操作数栈

isub // 自减

如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题。

但多线程下这 8 行代码可能交错运行：

image-20240910144323811

临界区与临界资源

  • 一个程序运行多个线程本身是没有问题的

  • 问题出在多个线程访问共享资源

      • 多个线程读共享资源其实也没有问题
      • 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题

一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区，其共享资源为临界资源

为什么会出现指令交错呢？

这与我们java内存模型有关

image-20240910113222288

在其他线程读取一个值到寄存器缓存里面的时候，可能其他线程已经更新了内存中的值，但是我这个线程下一次执行操作，还是拿的缓存的值，再回写带内存，这里就出现了问题

所以，我们会出现一个叫缓存一致性协议的东西，来解决这个问题，前面的文章有过描述

竞态条件（ Race Condition ）

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的：

  • 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
  • 非阻塞式的解决方案：原子变量

注意：

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码

同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

synchronized的使用

synchronized 同步块是 Java 提供的一种原子性内置锁，Java 中的每个对象都可以把它当作一个同步锁来使用，这些 Java 内置的使用者看不到的锁被称为内置锁，也叫作监视器锁。

加锁方式

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synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性

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synchronized底层原理

synchronized是JVM内置锁，基于Monitor机制实现，依赖底层操作系统的互斥原语Mutex（互斥量），它是一个重量级锁，性能较低。当然，JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、自适应自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。

The Java® Language Specification

Each object is associated with a monitor (§17.1), which is used by synchronized methods (§8.4.3) and the synchronized statement (§14.19) to provide control over concurrent access to state by multiple threads (§17 (Threads and Locks)).

The Java® Virtual Machine Specification

The Java Virtual Machine supports synchronization of both methods and sequences of instructions within a method by a single synchronization construct: the monitor.

Java虚拟机通过一个同步结构支持方法和方法中的指令序列的同步：monitor。

同步方法是通过方法中的access_flags中设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现；同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现。两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥原语mutex来实现，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切换，对性能有较大影响。

Monitor（管程/监视器）

Monitor，直译为“监视器”，而操作系统领域一般翻译为“管程”。管程是指管理共享变量以及对共享变量操作的过程，让它们支持并发。在Java 1.5之前，Java语言提供的唯一并发语言就是管程，Java 1.5之后提供的SDK并发包也是以管程为基础的。除了Java之外，C/C++、C#等高级语言也都是支持管程的。synchronized关键字和wait()、notify()、notifyAll()这三个方法是Java中实现管程技术的组成部分。

MESA模型

在管程的发展史上，先后出现过三种不同的管程模型，分别是Hasen模型、Hoare模型和MESA模型。现在正在广泛使用的是MESA模型。下面我们便介绍MESA模型：

image-20240910143957283

管程中引入了条件变量的概念，而且每个条件变量都对应有一个等待队列。条件变量和等待队列的作用是解决线程之间的同步问题。

wait()的正确使用姿势

对于MESA管程来说，有一个编程范式：

​ while(条件不满足) { wait();

唤醒的时间和获取到锁继续执行的时间是不一致的，被唤醒的线程再次执行时可能条件又不满足了，所以循环检验条件。MESA模型的wait()方法还有一个超时参数，为了避免线程进入等待队列永久阻塞。

notify()和notifyAll()分别何时使用

满足以下三个条件时，可以使用notify()，其余情况尽量使用notifyAll()：

  1. 所有等待线程拥有相同的等待条件；
  2. 所有等待线程被唤醒后，执行相同的操作；
  3. 只需要唤醒一个线程。

Java语言的内置管程synchronized

Java 参考了 MESA 模型，语言内置的管程（synchronized）对 MESA 模型进行了精简。MESA 模型中，条件变量可以有多个，Java 语言内置的管程里只有一个条件变量。模型如下图所示。

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Monitor机制在Java中的实现

java.lang.Object 类定义了 wait()，notify()，notifyAll() 方法，这些方法的具体实现，依赖于 ObjectMonitor 实现，这是 JVM 内部基于 C++ 实现的一套机制。

ObjectMonitor其主要数据结构如下（hotspot源码ObjectMonitor.hpp）：

ObjectMonitor() {
 _header       = NULL; //对象头  markOop
 _count        = 0;  
 _waiters      = 0,   
 _recursions   = 0;   // 锁的重入次数 
 _object       = NULL;  //存储锁对象
 _owner        = NULL;  // 标识拥有该monitor的线程（当前获取锁的线程） 
 _WaitSet      = NULL;  // 等待线程（调用wait）组成的双向循环链表，_WaitSet是第一个节点
 _WaitSetLock  = 0 ;    
 _Responsible  = NULL ;
 _succ         = NULL ;
 _cxq          = NULL ; //多线程竞争锁会先存到这个单向链表中 （FILO栈结构）
 FreeNext      = NULL ;
 _EntryList    = NULL ; //存放在进入或重新进入时被阻塞(blocked)的线程 (也是存竞争锁失败的线程)
 _SpinFreq     = 0 ;
 _SpinClock    = 0 ;
 OwnerIsThread = 0 ;
 _previous_owner_tid = 0;

image-20240910143942484

在获取锁时，是将当前线程插入到cxq的头部，而释放锁时，默认策略（QMode=0）是：如果EntryList为空，则将cxq中的元素按原有顺序插入到EntryList，并唤醒第一个线程，也就是当EntryList为空时，是后来的线程先获取锁。_EntryList不为空，直接从_EntryList中唤醒线程。

思考：synchronized加锁加在对象上，锁对象是如何记录锁状态的？

对象的内存布局

Hotspot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

  • 对象头：比如 hash码，对象所属的年代，对象锁，锁状态标志，偏向锁（线程）ID，偏向时间，数组长度（数组对象才有）等。
  • 实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；
  • 对齐填充：由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。

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对象头详解

HotSpot虚拟机的对象头包括：

  • 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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”。

  • Klass Pointer

对象头的另外一部分是klass类型指针，即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。 32位4字节，64位开启指针压缩或最大堆内存<32g时4字节，否则8字节。jdk1.8默认开启指针压缩后为4字节，当在JVM参数中关闭指针压缩（-XX:-UseCompressedOops）后，长度为8字节。

  • 数组长度（只有数组对象有）

如果对象是一个数组, 那在对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度。 4字节

image-20240910143927300

回到之前的问题： synchronized加锁加在对象上，对象是如何记录锁状态的？

锁状态被记录在每个对象的对象头的Mark Word中

Mark Word是如何记录锁状态的

Hotspot通过markOop类型实现Mark Word，具体实现位于markOop.hpp文件中。由于对象需要存储的运行时数据很多，考虑到虚拟机的内存使用，markOop被设计成一个非固定的数据结构，以便在极小的空间存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。

简单点理解就是：MarkWord 结构搞得这么复杂，是因为需要节省内存，让同一个内存区域在不同阶段有不同的用处。

Mark Word的结构

//  32 bits:
//  --------
//             hash:25 ------------>| age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//             JavaThread*:23 epoch:2 age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//             size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)
//             PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
//
//  64 bits:
//  --------
//  unused:25 hash:31 -->| unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//  JavaThread*:54 epoch:2 unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//  PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
//  size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)
//
//  unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4    biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
//  JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4    biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
//  narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
//  unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)

。。。。。。
//    [JavaThread* | epoch | age | 1 | 01]       lock is biased toward given thread
//    [0           | epoch | age | 1 | 01]       lock is anonymously biased
//
//  - the two lock bits are used to describe three states: locked/unlocked and monitor.
//
//    [ptr             | 00]  locked             ptr points to real header on stack
//    [header      | 0 | 01]  unlocked           regular object header
//    [ptr             | 10]  monitor            inflated lock (header is wapped out)
//    [ptr             | 11]  marked             used by markSweep to mark an object
  • hash： 保存对象的哈希码。运行期间调用System.identityHashCode()来计算，延迟计算，并把结果赋值到这里。
  • age： 保存对象的分代年龄。表示对象被GC的次数，当该次数到达阈值的时候，对象就会转移到老年代。
  • biased_lock： 偏向锁标识位。由于无锁和偏向锁的锁标识都是 01，没办法区分，这里引入一位的偏向锁标识位。
  • lock： 锁状态标识位。区分锁状态，比如11时表示对象待GC回收状态, 只有最后2位锁标识(11)有效。
  • JavaThread*： 保存持有偏向锁的线程ID。偏向模式的时候，当某个线程持有对象的时候，对象这里就会被置为该线程的ID。 在后面的操作中，就无需再进行尝试获取锁的动作。这个线程ID并不是JVM分配的线程ID号，和Java Thread中的ID是两个概念。
  • epoch： 保存偏向时间戳。偏向锁在CAS锁操作过程中，偏向性标识，表示对象更偏向哪个锁。

32位JVM下的对象结构描述

image-20240910143913999

64位JVM下的对象结构描述

image-20240910143908004

  • ptr_to_lock_record：轻量级锁状态下，指向栈中锁记录的指针。当锁获取是无竞争时，JVM使用原子操作而不是OS互斥，这种技术称为轻量级锁定。在轻量级锁定的情况下，JVM通过CAS操作在对象的Mark Word中设置指向锁记录的指针。
  • ptr_to_heavyweight_monitor：重量级锁状态下，指向对象监视器Monitor的指针。如果两个不同的线程同时在同一个对象上竞争，则必须将轻量级锁定升级到Monitor以管理等待的线程。在重量级锁定的情况下，JVM在对象的ptr_to_heavyweight_monitor设置指向Monitor的指针

Mark Word中锁标记枚举

enum { locked_value             = 0,    //00 轻量级锁 
         unlocked_value           = 1,   //001 无锁
         monitor_value            = 2,   //10 监视器锁，也叫膨胀锁，也叫重量级锁
         marked_value             = 3,   //11 GC标记
         biased_lock_pattern      = 5    //101 偏向锁

更直观的理解方式：

image-20240910143900778

偏向锁

偏向锁是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了消除数据在无竞争情况下锁重入（CAS操作）的开销而引入偏向锁。对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果。

/***StringBuffer内部同步***/
public synchronized int length() { 
   return count; 
} 
//System.out.println 无意识的使用锁 
public void println(String x) { 
  synchronized (this) {
     print(x); newLine(); 
  }

当JVM启用了偏向锁模式（jdk6默认开启），新创建对象的Mark Word中的Thread Id为0，说明此时处于可偏向但未偏向任何线程，也叫做匿名偏向状态(anonymously biased)。

偏向锁延迟偏向

偏向锁模式存在偏向锁延迟机制：HotSpot 虚拟机在启动后有个 4s 的延迟才会对每个新建的对象开启偏向锁模式。JVM启动时会进行一系列的复杂活动，比如装载配置，系统类初始化等等。在这个过程中会使用大量synchronized关键字对对象加锁，且这些锁大多数都不是偏向锁。为了减少初始化时间，JVM默认延时加载偏向锁。

//关闭延迟开启偏向锁
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
//禁止偏向锁
-XX:-UseBiasedLocking 
//启用偏向锁

思考：如果对象调用了hashCode,还会开启偏向锁模式吗？

image-20240910143848721

偏向锁撤销之调用对象HashCode

调用锁对象的obj.hashCode()或System.identityHashCode(obj)方法会导致该对象的偏向锁被撤销。因为对于一个对象，其HashCode只会生成一次并保存，偏向锁是没有地方保存hashcode的。

  • 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
  • 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

当对象处于可偏向（也就是线程ID为0）和已偏向的状态下，调用HashCode计算将会使对象再也无法偏向：

  • 当对象可偏向时，MarkWord将变成未锁定状态，并只能升级成轻量锁；
  • 当对象正处于偏向锁时，调用HashCode将使偏向锁强制升级成重量锁。

image-20240910143840508

偏向锁撤销之调用wait/notify

偏向锁状态执行obj.notify() 会升级为轻量级锁，调用obj.wait(timeout) 会升级为重量级锁

synchronized (obj) {
    // 思考：偏向锁执行过程中，调用hashcode会发生什么？
    //obj.hashCode();
    //obj.notify();
    try {
        obj.wait(100);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
   
    log.debug(Thread.currentThread().getName() + "获取锁执行中。。。\n"
            + ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

轻量级锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的

优化手段，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁所适应的场景是线程交替执

行同步块的场合，如果存在同一时间多个线程访问同一把锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

总结：锁对象状态转换

​ image-20240910143817136

锁升级流程图

自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，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。

  • 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，比较智能。
  • Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

注意：自旋的目的是为了减少线程挂起的次数，尽量避免直接挂起线程（挂起操作涉及系统调用，存在用户态和内核态切换，这才是重量级锁最大的开销）

锁粗化

假设一系列的连续操作都会对同一个对象反复加锁及解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，即使没有出现线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。如果JVM检测到有一连串零碎的操作都是对同一对象的加锁，将会扩大加锁同步的范围（即锁粗化）到整个操作序列的外部。


http://www.kler.cn/a/579581.html

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