Java?Synchronized鎖升級原理及過程是什么

本篇內(nèi)容主要講解“Java Synchronized鎖升級原理及過程是什么”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“Java Synchronized鎖升級原理及過程是什么”吧!

工具準(zhǔn)備

在正式談synchronized的原理之前我們先談一下自旋鎖，因?yàn)樵趕ynchronized的優(yōu)化當(dāng)中自旋鎖發(fā)揮了很大的作用。而需要了解自旋鎖，我們首先需要了解什么是原子性。

所謂原子性簡單說來就是一個(gè)一個(gè)操作要么不做要么全做，全做的意思就是在操作的過程當(dāng)中不能夠被中斷，比如說對變量data進(jìn)行加一操作，有以下三個(gè)步驟：

• 將data從內(nèi)存加載到寄存器。

• 將data這個(gè)值加一。

• 將得到的結(jié)果寫回內(nèi)存。

原子性就表示一個(gè)線程在進(jìn)行加一操作的時(shí)候，不能夠被其他線程中斷，只有這個(gè)線程執(zhí)行完這三個(gè)過程的時(shí)候其他線程才能夠操作數(shù)據(jù)data。

我們現(xiàn)在用代碼體驗(yàn)一下，在Java當(dāng)中我們可以使用AtomicInteger進(jìn)行對整型數(shù)據(jù)的原子操作：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 
public class AtomicDemo {
 
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    AtomicInteger data = new AtomicInteger();
    data.set(0); // 將數(shù)據(jù)初始化位0
    Thread t1 = new Thread(() -> {
      for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        data.addAndGet(1); // 對數(shù)據(jù) data 進(jìn)行原子加1操作
      }
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
      for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        data.addAndGet(1);// 對數(shù)據(jù) data 進(jìn)行原子加1操作
      }
    });
    // 啟動兩個(gè)線程
    t1.start();
    t2.start();
    // 等待兩個(gè)線程執(zhí)行完成
    t1.join();
    t2.join();
    // 打印最終的結(jié)果
    System.out.println(data); // 200000
  }
}

從上面的代碼分析可以知道，如果是一般的整型變量如果兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行操作的時(shí)候，最終的結(jié)果是會小于200000。

我們現(xiàn)在來模擬一下一般的整型變量出現(xiàn)問題的過程：

主內(nèi)存data的初始值等于0，兩個(gè)線程得到的data初始值都等于0。

現(xiàn)在線程一將data加一，然后線程一將data的值同步回主內(nèi)存，整個(gè)內(nèi)存的數(shù)據(jù)變化如下：

現(xiàn)在線程二data加一，然后將data的值同步回主內(nèi)存（將原來主內(nèi)存的值覆蓋掉了）：

我們本來希望data的值在經(jīng)過上面的變化之后變成2，但是線程二覆蓋了我們的值，因此在多線程情況下，會使得我們最終的結(jié)果變小。

但是在上面的程序當(dāng)中我們最終的輸出結(jié)果是等于20000的，這是因?yàn)榻odata進(jìn)行+1的操作是原子的不可分的，在操作的過程當(dāng)中其他線程是不能對data進(jìn)行操作的。這就是原子性帶來的優(yōu)勢。

事實(shí)上上面的+1原子操作就是通過自旋鎖實(shí)現(xiàn)的，我們可以看一下AtomicInteger的源代碼：

public final int addAndGet(int delta) {
  // 在 AtomicInteger 內(nèi)部有一個(gè)整型數(shù)據(jù) value 用于存儲具體的數(shù)值的
  // 這個(gè) valueOffset 表示這個(gè)數(shù)據(jù) value 在對象 this （也就是 AtomicInteger一個(gè)具體的對象）
  // 當(dāng)中的內(nèi)存偏移地址
  // delta 就是我們需要往 value 上加的值 在這里我們加上的是 1
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
}

上面的代碼最終是調(diào)用UnSafe類的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，我們再看一下他的源代碼：

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
  int v;
  do {
    v = getIntVolatile(o, offset); // 從對象 o 偏移地址為 offset 的位置取出數(shù)據(jù) value ，也就是前面提到的存儲整型數(shù)據(jù)的變量
  } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
  return v;
}

上面的代碼主要流程是不斷的從內(nèi)存當(dāng)中取對象內(nèi)偏移地址為offset的數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行語句!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)

這條語句的主要作用是：比較對象o內(nèi)存偏移地址為offset的數(shù)據(jù)是否等于v，如果等于v則將偏移地址為offset的數(shù)據(jù)設(shè)置為v + delta，如果這條語句執(zhí)行成功返回 true否則返回false，這就是我們常說的Java當(dāng)中的CAS。

看到這里你應(yīng)該就發(fā)現(xiàn)了當(dāng)上面的那條語句執(zhí)行不成功的話就會一直進(jìn)行while循環(huán)操作，直到操作成功之后才退出while循環(huán)，假如沒有操作成功就會一直“旋”在這里，像這種操作就是自旋，通過這種自旋方式所構(gòu)成的鎖就叫做自旋鎖。

對象的內(nèi)存布局

在JVM當(dāng)中，一個(gè)Java對象的內(nèi)存主要有三塊：

• 對象頭，對象頭包含兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，分別是Mark word和類型指針（Kclass pointer）。

• 實(shí)例數(shù)據(jù)，就是我們在類當(dāng)中定義的各種數(shù)據(jù)。

• 對齊填充，JVM在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候要求每一個(gè)對象所占有的內(nèi)存大小都需要是8字節(jié)的整數(shù)倍，如果一個(gè)對象的數(shù)據(jù)所占有的內(nèi)存大小不夠8字節(jié)的整數(shù)倍，那就需要進(jìn)行填充，補(bǔ)齊到8字節(jié)，比如說如果一個(gè)對象站60字節(jié)，那么最終會填充到64字節(jié)。

而與我們要談到的synchronized鎖升級原理密切相關(guān)的是Mark word，這個(gè)字段主要是存儲對象運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，比如說對象的Hashcode、GC的分代年齡、持有鎖的線程等等。而Kclass pointer主要是用于指向?qū)ο蟮念悾饕潜硎具@個(gè)對象是屬于哪一個(gè)類，主要是尋找類的元數(shù)據(jù)。

在32位Java虛擬機(jī)當(dāng)中Mark word有4個(gè)字節(jié)一共32個(gè)比特位，其內(nèi)容如下：

我們在使用synchronized時(shí)，如果我們是將synchronized用在同步代碼塊，我們需要一個(gè)鎖對象。對于這個(gè)鎖對象來說一開始還沒有線程執(zhí)行到同步代碼塊時(shí)，這個(gè)4個(gè)字節(jié)的內(nèi)容如上圖所示，其中有25個(gè)比特用來存儲哈希值，4個(gè)比特用來存儲垃圾回收的分代年齡（如果不了解可以跳過），剩下三個(gè)比特其中第一個(gè)用來表示當(dāng)前的鎖狀態(tài)是否為偏向鎖，最后的兩個(gè)比特表示當(dāng)前的鎖是哪一種狀態(tài)：

• 如果最后三個(gè)比特是：001，則說明鎖狀態(tài)是沒有鎖。

• 如果最后三個(gè)比特是：101，則說明鎖狀態(tài)是偏向鎖。

• 如果最后兩個(gè)比特是：00， 則說明鎖狀態(tài)是輕量級鎖。

• 如果最后兩個(gè)比特是：10， 則說明鎖狀態(tài)是重量級鎖。

而synchronized鎖升級的順序是：無????->偏向????->輕量級????->重量級????。

在Java當(dāng)中有一個(gè)JVM參數(shù)用于設(shè)置在JVM啟動多少秒之后開啟偏向鎖（JDK6之后默認(rèn)開啟偏向鎖，JVM默認(rèn)啟動4秒之后開啟對象偏向鎖，這個(gè)延遲時(shí)間叫做偏向延遲，你可以通過下面的參數(shù)進(jìn)行控制）：

//設(shè)置偏向延遲時(shí)間 只有經(jīng)過這個(gè)時(shí)間只有對象鎖才會有偏向鎖這個(gè)狀態(tài)
-XX:BiasedLockingStartupDelay=4
//禁止偏向鎖
-XX:-UseBiasedLocking
//開啟偏向鎖
-XX:+UseBiasedLocking

我們可以用代碼驗(yàn)證一下在無鎖狀態(tài)下，MarkWord的內(nèi)容是什么：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
 
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
public class MarkWord {
 
  public Object o = new Object();
 
  public synchronized void demo() {
 
    synchronized (o) {
      System.out.println("synchronized代碼塊內(nèi)");
      System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
  }
 
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    System.out.println("等待4s前");
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Object()).toPrintable());
    TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
 
    MarkWord markWord = new MarkWord();
    System.out.println("等待4s后");
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Object()).toPrintable());
    Thread thread = new Thread(markWord::demo);
    thread.start();
    thread.join();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(markWord.o).toPrintable());
 
  }
}

上面代碼輸出結(jié)果，下面的紅框框住的表示是否是偏向鎖和鎖標(biāo)志位（可能你會有疑問為什么是這個(gè)位置，不應(yīng)該是最后3個(gè)比特位表示鎖相關(guān)的狀態(tài)嗎，這個(gè)其實(shí)是數(shù)據(jù)表示的大小端問題，大家感興趣可以去查一下，在這你只需知道紅框三個(gè)比特就是用于表示是否為偏向鎖和鎖的標(biāo)志位）：

從上面的圖當(dāng)中我們可以分析得知在偏向延遲的時(shí)間之前，對象鎖的狀態(tài)還不會有偏向鎖，因此對象頭中的Markword當(dāng)中鎖狀態(tài)是01，同時(shí)偏向鎖狀態(tài)是0，表示這個(gè)時(shí)候是無鎖狀態(tài)，但是在4秒之后偏向鎖的狀態(tài)已經(jīng)變成1了，因此當(dāng)前的鎖狀態(tài)是偏向鎖，但是還沒有線程占有他，這種狀態(tài)也被稱作匿名偏向，因?yàn)樵谏厦娴拇a當(dāng)中只有一個(gè)線程進(jìn)入了synchronized同步代碼塊，因此可以使用偏向鎖，因此在synchronized代碼塊當(dāng)中打印的對象的鎖狀態(tài)也是偏向鎖。

上面的代碼當(dāng)中使用到了jol包，你需要在你的pom文件當(dāng)中引入對應(yīng)的包：

<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol-core</artifactId>
  <version>0.10</version>
</dependency>

上圖當(dāng)中我們顯示的結(jié)果是在64位機(jī)器下面顯示的結(jié)果，在64位機(jī)器當(dāng)中在Java對象頭當(dāng)中的MarkWord和Klcass Pointer內(nèi)存布局如下：

其中MarkWord占8個(gè)字節(jié)，Kclass Pointer占4個(gè)字節(jié)。JVM在64位和32位機(jī)器上的MarkWord內(nèi)容基本一致，64位機(jī)器上和32位機(jī)器上的MarkWord內(nèi)容和表示意義是一樣的，因此最后三位的意義你可以參考32位JVM的MarkWord。

鎖升級過程

偏向鎖

假如你寫的synchronized代碼塊沒有多個(gè)線程執(zhí)行，而只有一個(gè)線程執(zhí)行的時(shí)候這種鎖對程序性能的提高還是非常大的。他的具體做法是JVM會將對象頭當(dāng)中的第三個(gè)用于表示是否為偏向鎖的比特位設(shè)置為1，同時(shí)會使用CAS操作將線程的ID記錄到Mark Word當(dāng)中，如果操作成功就相當(dāng)于獲得????了，那么下次這個(gè)線程想進(jìn)入臨界區(qū)就只需要比較一下線程ID是否相同了，而不需要進(jìn)行CAS或者加鎖這樣花費(fèi)比較大的操作了，只需要進(jìn)行一個(gè)簡單的比較即可，這種情況下加鎖的開銷非常小。

可能你會有一個(gè)疑問在無鎖的狀態(tài)下Mark Word存儲的是哈希值，而在偏向鎖的狀態(tài)下存儲的是線程的ID，那么之前存儲的Hash Code不就沒有了嘛！你可能會想沒有就沒有吧，再算一遍不就行了！事實(shí)上不是這樣，如果我們計(jì)算過哈希值之后我們需要盡量保持哈希值不變（但是這個(gè)在Java當(dāng)中并沒有強(qiáng)制，因?yàn)樵贘ava當(dāng)中可以重寫hashCode方法），因此在Java當(dāng)中為了能夠保持哈希值的不變性就會在第一次計(jì)算一致性哈希值（Mark Word里面存儲的是一致性哈希值，并不是指重寫的hashCode返回值，在Java當(dāng)中可以通過 Object.hashCode()或者System.identityHashCode(Object)方法計(jì)算一致性哈希值）的時(shí)候就將計(jì)算出來的一致性哈希值存儲到Mark Word當(dāng)中，下一次再有一致性哈希值的請求的時(shí)候就將存儲下來的一致性哈希值返回，這樣就可以保證每次計(jì)算的一致性哈希值相同。但是在變成偏向鎖的時(shí)候會使用線程ID覆蓋哈希值，因此當(dāng)一個(gè)對象計(jì)算過一致性哈希值之后，他就再也不能進(jìn)行偏向鎖狀態(tài)，而且當(dāng)一個(gè)對象正處于偏向鎖狀態(tài)的時(shí)候，收到了一致性哈希值的請求的時(shí)候，也就是調(diào)用上面提到的兩個(gè)方法，偏向鎖就會立馬膨脹為重量級鎖，然后將Mark Word 儲在重量級鎖里。

下面的代碼就是驗(yàn)證當(dāng)在偏向鎖的狀態(tài)調(diào)用System.identityHashCode函數(shù)鎖的狀態(tài)就會升級為重量級鎖：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
 
import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
public class MarkWord {
 
  public Object o = new Object();
 
  public synchronized void demo() {
 
    System.out.println("System.identityHashCode(o) 函數(shù)之前");
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    synchronized (o) {
      System.identityHashCode(o);
      System.out.println("System.identityHashCode(o) 函數(shù)之后");
      System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
  }
 
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
 
    MarkWord markWord = new MarkWord();
    Thread thread = new Thread(markWord::demo);
    thread.start();
    thread.join();
    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(markWord.o).toPrintable());
  }
}

輕量級鎖

輕量級鎖也是在JDK1.6加入的，當(dāng)一個(gè)線程獲取偏向鎖的時(shí)候，有另外的線程加入鎖的競爭時(shí)，這個(gè)時(shí)候就會從偏向鎖升級為輕量級鎖。

在輕量級鎖的狀態(tài)時(shí)，虛擬機(jī)首先會在當(dāng)前線程的棧幀當(dāng)中建立一個(gè)鎖記錄（Lock Record），用于存儲對象MarkWord的拷貝，官方稱這個(gè)為Displaced Mark Word。然后虛擬機(jī)會使用CAS操作嘗試將對象的MarkWord指向棧中的Lock Record，如果操作成功說明這個(gè)線程獲取到了鎖，能夠進(jìn)入同步代碼塊執(zhí)行，否則說明這個(gè)鎖對象已經(jīng)被其他線程占用了，線程就需要使用CAS不斷的進(jìn)行獲取鎖的操作，當(dāng)然你可能會有疑問，難道就讓線程一直死循環(huán)了嗎？這對CPU的花費(fèi)那不是太大了嗎，確實(shí)是這樣的因此在CAS滿足一定條件的時(shí)候輕量級鎖就會升級為重量級鎖，具體過程在重量級鎖章節(jié)中分析。

當(dāng)線程需要從同步代碼塊出來的時(shí)候，線程同樣的需要使用CAS將Displaced Mark Word替換回對象的MarkWord，如果替換成功，那么同步過程就完成了，如果替換失敗就說明有其他線程嘗試獲取該鎖，而且鎖已經(jīng)升級為重量級鎖，此前競爭鎖的線程已經(jīng)被掛起，因此線程在釋放鎖的同時(shí)還需要將掛起的線程喚醒。

重量級鎖

所謂重量級鎖就是一種開銷最大的鎖機(jī)制，在這種情況下需要操作系統(tǒng)將沒有進(jìn)入同步代碼塊的線程掛起，JVM（Linux操作系統(tǒng)下）底層是使用pthread_mutex_lock、pthread_mutex_unlock、pthread_cond_wait、pthread_cond_signal和pthread_cond_broadcast這幾個(gè)庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，而這些函數(shù)依賴于futex系統(tǒng)調(diào)用，因此在使用重量級鎖的時(shí)候因?yàn)檫M(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)程需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為內(nèi)核態(tài)將線程掛起，然后從內(nèi)核態(tài)轉(zhuǎn)為用戶態(tài)，當(dāng)解鎖的時(shí)候又需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為內(nèi)核態(tài)將線程喚醒，這一來二去的花費(fèi)就比較大了（和CAS自旋鎖相比）。

在有兩個(gè)以上的線程競爭同一個(gè)輕量級鎖的情況下，輕量級鎖不再有效（輕量級鎖升級的一個(gè)條件），這個(gè)時(shí)候鎖為膨脹成重量級鎖，鎖的標(biāo)志狀態(tài)變成10，MarkWord當(dāng)中存儲的就是指向重量級鎖的指針，后面等待鎖的線程就會被掛起。

因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候MarkWord當(dāng)中存儲的已經(jīng)是指向重量級鎖的指針，因此在輕量級鎖的情況下進(jìn)入到同步代碼塊在出同步代碼塊的時(shí)候使用CAS將Displaced Mark Word替換回對象的MarkWord的時(shí)候就會替換失敗，在前文已經(jīng)提到，在失敗的情況下，線程在釋放鎖的同時(shí)還需要將被掛起的線程喚醒。

到此，相信大家對“Java Synchronized鎖升級原理及過程是什么”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！