Java中synchronized鎖升級(jí)的過程

第Java中synchronized鎖升級(jí)的過程目錄簡(jiǎn)介CASmarkWordSynchronized的鎖升級(jí)偏向鎖輕量級(jí)鎖重量級(jí)鎖總結(jié)

簡(jiǎn)介

在多線程中解決線程安全的問題時(shí)常用到Synchronized，現(xiàn)在的synchronized相對(duì)于早期的synchronized做出了優(yōu)化，從以前的加鎖就是重量級(jí)鎖優(yōu)化成了有一個(gè)鎖升級(jí)的過程(偏向鎖-輕量級(jí)鎖-重量級(jí)鎖)。

CAS

cas的全稱是compareandswap，從名稱上可以看出它是先比較再進(jìn)行設(shè)置，它是一種在多線程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)同步功能的機(jī)制。

下面這段代碼是在ReentrantLock類中復(fù)制的一段關(guān)于CAS操作的代碼

protectedfinalbooleancompareAndSetState(intexpect,intupdate){

//Seebelowforintrinsicssetuptosupportthis

returnpareAndSwapInt(this,stateOffset,expect,update);

}

compareAndSwapInt的參數(shù)，這里的參數(shù)一和參數(shù)二現(xiàn)在把他理解成是一個(gè)參數(shù)pareAndSwapInt(curr,expect,update);所以這一個(gè)Cas操作里面需要三個(gè)參數(shù)

參數(shù)一：當(dāng)前值參數(shù)二：期望值參數(shù)三：需要修改成的值

只有在當(dāng)前值和期望值一致的時(shí)候才會(huì)將當(dāng)前值修改成參數(shù)三所傳入的值。

CAS在JUC包中應(yīng)用很廣泛，比如在AtomicXXX類中使用到了大量的CAS操作，

CAS不是很難理解，有個(gè)概念就好。

markWord

如果了解對(duì)象的內(nèi)存布局的可以略過此段。這個(gè)對(duì)象的內(nèi)存布局是和JVM的實(shí)現(xiàn)有關(guān)，本章所說的是HotSpot的實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)一個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建出來后它在內(nèi)存中的布局如下，由四部分組成：

8個(gè)字節(jié)的markword，（markword里面包含了其它的東西，比如GC標(biāo)記，鎖類型）4個(gè)字節(jié)的ClassPoint(此指針指向的Class)，默認(rèn)是開啟指針壓縮所以是四個(gè)字節(jié)，關(guān)閉指針壓縮后是八個(gè)字節(jié)實(shí)例對(duì)象中的成員屬性大小字節(jié)填充(有的JVM需要8字節(jié)對(duì)齊，如果上面的字節(jié)相加后不能被8整除，則需要在此補(bǔ)齊)

看到上面的圖，應(yīng)該可以大概的看出來synchronized加鎖，其實(shí)就是修改的對(duì)像頭里面的markword的數(shù)據(jù)。所以synchronized可以對(duì)任何一個(gè)對(duì)象加鎖

現(xiàn)在有一個(gè)Java類T,將它new出來之后它的對(duì)象的內(nèi)存布局是什么樣子的呢？

classT{

Integerage;

}

可以通過一個(gè)小工具來查看下這個(gè)T類在內(nèi)存中的對(duì)象布局

dependency

groupIdorg.openjdk.jol/groupId

artifactIdjol-core/artifactId

version0.9/version

scopecompile/scope

/dependency

通過下面的程序來打印下T對(duì)象的布局是什么樣子的。

publicstaticvoidmain(String[]args){

To=newT();

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

}

這張圖是一個(gè)沒有加鎖的對(duì)象的對(duì)象布局。

通過synchronized后的對(duì)象布局是什么樣子的呢？這次再修改下T類，目的是讓它存在字節(jié)填充

classT{

Integerage;

Integerage1;

publicstaticvoidmain(String[]args){

To=newT();

synchronized(o){

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

}

到這里可能有些小伙伴有疑問，這里為啥是輕量級(jí)鎖，不應(yīng)該先是偏向鎖嗎？原因如下：

因?yàn)槠蜴i是有4秒的延遲的，所以如果想要看到效果可以在代碼里加上sleep(4100)就可以了?；蛘呤峭ㄟ^jvm參數(shù)-XX:BiasedLockingStartupDelay=0將延遲設(shè)置成0

看完這里也對(duì)markword有了些了解了，因?yàn)樵趕ynchronized中加鎖就是通過cas的方式修改的markword中的鎖狀態(tài)

Synchronized的鎖升級(jí)

上圖大概就是Synchronized加鎖后的一個(gè)鎖升級(jí)的過程。從早期的重量級(jí)鎖優(yōu)化到了現(xiàn)在一個(gè)輕量級(jí)鎖。

偏向鎖

上面的重量級(jí)鎖說到重量級(jí)鎖想要申請(qǐng)一把鎖需要用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的一個(gè)轉(zhuǎn)換，到了后期的JDK版本中，加鎖不用在去向OS去申請(qǐng)鎖了，只需要在用戶態(tài)就可以完成加鎖。

從名字上可以看出偏向鎖它就是偏向某一個(gè)線程，把這個(gè)鎖加到這個(gè)線程上，在加鎖的時(shí)候如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前鎖的競(jìng)爭(zhēng)線程只有一個(gè)線程的話，那么這個(gè)鎖直接偏向這個(gè)線程。直接上鎖，不存在競(jìng)爭(zhēng)。并在線程棧中創(chuàng)建一個(gè)LR(鎖記錄)并將markword拷貝到LR中，同時(shí)鎖中的markwrod中的指針也會(huì)指向當(dāng)前持有鎖線程的LR

這里的LR是有什么作用？

首先synchronized是一個(gè)可重入鎖，它即然是一個(gè)可重入鎖它就得有一個(gè)東西用來記錄重入的次數(shù)(加鎖幾次必須解鎖幾次)。在解鎖時(shí)LR在棧中彈出一個(gè)就表示解鎖一次。

當(dāng)有多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候會(huì)升級(jí)成輕量級(jí)鎖(自旋鎖)

通過下圖來看下偏向鎖是怎么一回事。

當(dāng)大呆需要上WC時(shí)，只有它自已要上ＷＣ，此時(shí)并沒有其它的人需要上ＷＣ，那么這時(shí)這個(gè)ＷＣ可以直接給大呆使用，并且大呆把可以標(biāo)識(shí)自已身份的ID貼到門上，表示此時(shí)大呆占用了這個(gè)WC。

當(dāng)又有一個(gè)線程來搶占鎖時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前鎖已被占用，此時(shí)鎖會(huì)從偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖。

匿名偏向

在執(zhí)行的時(shí)候?qū)⑵蜴i的延遲設(shè)置成0-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{

To=newT();

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

}

可以看這個(gè)程序的執(zhí)行結(jié)果，當(dāng)前的鎖狀態(tài)是偏向鎖，而有意思是的鎖存在，但是他并沒有指向線程的指針，

這種情況稱為匿名偏向。

輕量級(jí)鎖

說到輕量級(jí)鎖可能需要在兩種情況下來說它，一是在升級(jí)成輕量鎖之前有偏向鎖，另一種是在升級(jí)輕量鎖之前沒有偏向鎖，這里說完第一種第二種不用解釋各位也會(huì)明白是怎么一回事。

還是用上面這個(gè)圖來解釋，此時(shí)當(dāng)前的WC被大呆所占用，這時(shí)二呆來了也要使用WC。這時(shí)大呆和二呆就要通過CAS的方式來搶占WC。

因?yàn)榇藭r(shí)鎖的狀態(tài)是偏向鎖的狀態(tài)，二呆來了也要使用WC(這時(shí)有兩個(gè)人同時(shí)要使用WC，這時(shí)就要將偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖)，在升級(jí)輕量鎖之前首先需要將WC上的標(biāo)識(shí)大呆身份的ID撕下來(這一步叫做偏向鎖的撤銷)，然后能過自旋+CAS的方式兩個(gè)人來搶鎖。當(dāng)其中一個(gè)線程搶鎖成功后，會(huì)將LR貼到WC的門上，表示W(wǎng)C當(dāng)前被某個(gè)線程占用，然后另一個(gè)沒有搶到鎖的線程就一直自旋，當(dāng)自旋一定次數(shù)后升級(jí)成重量級(jí)鎖。

如果在升級(jí)輕量鎖之前沒有偏向鎖，此時(shí)兩個(gè)線程直接自旋+CAS的方式來搶鎖。

重量級(jí)鎖

在了解重量級(jí)鎖之前，我想應(yīng)該先說下用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)：

對(duì)于系統(tǒng)而言，它可以做的一些事情，普通的應(yīng)用程序是無法完成的，比如系統(tǒng)可以干掉硬盤，如果普通的程序想要干掉硬盤它必須向操作系統(tǒng)去申請(qǐng)，由此操作系統(tǒng)中的指令分了級(jí)別，操作系統(tǒng)級(jí)別可以訪問所有的指令，在用戶態(tài)下只能訪問用戶能訪問的指令，如果用戶態(tài)要訪問內(nèi)核態(tài)可以執(zhí)行的指令必須去向操作系統(tǒng)去申請(qǐng)，請(qǐng)操作系統(tǒng)調(diào)用。

在JDK早期，上鎖只能上重量級(jí)鎖。因?yàn)?，所謂的JVM其實(shí)它也是工作在用戶態(tài)的一個(gè)進(jìn)程，如果想要對(duì)一個(gè)對(duì)象進(jìn)行上鎖，那它必須去向系統(tǒng)去申請(qǐng)鎖。申請(qǐng)鎖成功后，還需要將這把鎖從內(nèi)核態(tài)返回到用戶態(tài)，它稱為重量級(jí)鎖的原因就是在鎖申請(qǐng)的時(shí)候都要有一個(gè)在用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)搶占到鎖后，markword里面記錄的不再是LR的指針，而是指向的是一個(gè)C++的對(duì)象ObjectMonitor，

如果當(dāng)前線程自旋一段時(shí)間后沒有搶到鎖就會(huì)升級(jí)成重量級(jí)鎖，并將當(dāng)前的線程存入EntryList隊(duì)列中阻塞，持有鎖的線程執(zhí)行完成后，在喚醒EntryList隊(duì)列中的線程去搶占鎖。