synchronized关键字的初步理解

1.概述

我们知道在并发编程中最为重要的就是线程安全问题,而线程安全的主要体现,就是原子性、可见性和有序性。当存在多个线程操作共享数据时,需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据,其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行,这种方式有个高尚的名称叫互斥锁,即能达到互斥访问目的的锁,也就是说当一个共享数据被当前正在访问的线程加上互斥锁后,在同一个时刻,其他线程只能处于等待的状态,直到当前线程处理完毕释放该锁。而synchronied关键字,可以很好的实现上述要求

synchronized关键字主要有三种应用方式:

  • 修饰实例方法,作用于当前实例加锁,进入同步代码前要获得当前实例的锁
  • 修饰静态方法,作用于当前类对象加锁,进入同步代码前要获得当前类对象的锁
  • 修饰代码块,指定加锁对象,对给定对象加锁,进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

上面三种方式的具体实现这里就不一一列举了,因为这篇文章的着重点还是在于理解,所以那种基本的实现就不赘述了,这里说一下同步代码块的事情,有的时候我们编写的方法体很大,其中可能还会包含很多耗时的操作,而需要同步的只有一小部分,如果直接对整个方法进行同步代价是很大的,这个时候我们使用同步代码块对那一小部分进行同步就好了

synchronized关键字不仅可以保证操作的原子性、可见性,还可以避免指令重排产生的问题。使用这个关键字也就是将访问当前共享资源的数目限制2为单线程,单线程的情况下可以保证不会出现原子性问题,同时,也就保证了可见性,因为synchronized关键字每次进行加锁操作时都是从主存中读取数据,每次释放锁时都需要刷新主存,这种方法比较暴力,也就是说处理的粒度很大,这一点可以采用轻量级的、小粒度的volatile关键字实现,那么synchronized关键字是如何避免指令重排问题的呢? sync关键字并没有禁止指令重排,指令重排只会在多线程情况下出现问题,而使用sync关键字之后相当于对共享数据进行单线程操作了,所以是有指令重排,但是没关系

2.synchronized关键字底层原理

如果说到synchronized的底层,就一定要提到monitor对象,不管是同步方法还是同步代码块,都是通过这个对象进行同步的,那么这个对象是什么呢?

我们知道对象的内存布局一共分为三部分:
img

实例数据和对齐填充没有什么好说的,主要还是这个对象头,

对象头主要包括两部分数据:Mark Word(标记字段)、Class Pointer(类型指针)。

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。

类型指针用于指向这个类的元数据,也就是方法区中的类型信息,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例

image.png

每个对象都对应着一个monitor对象,那么二者是如何进行关联的呢?

image.png

  • 对象里有对象头
  • 对象头里面有Mark Word
  • Mark Word指针指向了monitor

下面我们来看一下同步代码块中和同步方法中是如何具体实现的:

1.同步代码块

public class SyncCodeBlock {

   public int i;

   public void syncTask(){
       //同步代码库
       synchronized (this){
           i++;
       }
   }
}
3: monitorenter  //进入同步方法
//..........省略其他  
15: monitorexit   //退出同步方法
16: goto          24
//省略其他.......
21: monitorexit //退出同步方法

同步代码块进行反编译之后,在字节码中可以看到monitorenter 和 monitorexit 指令,其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置,monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置,当字节码执行到monitorenter指令时,当前线程将试图获得当前对象锁的monitor对象的持有权,如果monitor对象的引用计数器为0,那么当前线程可以成功获得到,并将计数器设置为1,取锁成功。取锁成功之后如果想要重入这个锁,那么引用计数器再加1,倘若其他线程已经拥有 对象锁 的 monitor 的所有权,那当前线程将被阻塞,直到正在执行线程执行完毕,即monitorexit指令被执行,执行线程将释放 monitor(锁)并设置计数器值为0 ,其他线程将有机会持有 monitor 。

2.同步方法

方法级的同步是隐式,即无需通过字节码指令来控制的,它实现在方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。当方法调用时,调用指令将会 检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置,如果设置了,执行线程将先持有monitor, 然后再执行方法,最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。在方法执行期间,执行线程持有了monitor,其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间抛 出了异常,并且在方法内部无法处理此异常,那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放。下面我们看看字节码层面如何实现:

public class SyncMethod {

   public int i;

   public synchronized void syncTask(){
           i++;
   }
}

使用javap反编译后的字节码如下:

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncMethod.class
  Last modified 2017-6-2; size 308 bytes
  MD5 checksum f34075a8c059ea65e4cc2fa610e0cd94
  Compiled from "SyncMethod.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncMethod
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool;

   //省略没必要的字节码
  //==================syncTask方法======================
  public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    //方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰,ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field i:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field i:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 10
}
SourceFile: "SyncMethod.java"

从字节码中可以看出,synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令,取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识,该标识指明了该方法是一个同步方法,JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法,从而执行相应的同步调用。

3.Java虚拟机对synchronized的优化

锁的状态总共有四种,无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争,锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级的重量级锁,但是锁的升级是单向的,也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级,关于重量级锁,前面我们已详细分析过,下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段,这里并不打算深入到每个锁的实现和转换过程更多地是阐述Java虚拟机所提供的每个锁的核心优化思想,毕竟涉及到具体过程比较繁琐,如需了解详细过程可以查阅《深入理解Java虚拟机原理》。

偏向锁
偏向锁是Java 6之后加入的新锁,它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,因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是,如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式,此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构,当这个线程再次请求锁时,无需再做任何同步操作,即获取锁的过程,这样就省去了大量有关锁申请的操作,从而也就提供程序的性能。所以,对于没有锁竞争的场合,偏向锁有很好的优化效果,毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合,偏向锁就失效了,因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的,因此这种场合下不应该使用偏向锁,否则会得不偿失,需要注意的是,偏向锁失败后,并不会立即膨胀为重量级锁,而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

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(1.6之后加入的),此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁,在整个同步周期内都不存在竞争”,注意这是经验数据。需要了解的是,轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合,如果存在同一时间访问同一锁的场合,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

自旋锁
轻量级锁失败后,虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起,还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下,线程持有锁的时间都不会太长,如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失,毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,因此自旋锁会假设在不久将来,当前的线程可以获得锁,因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因),一般不会太久,可能是50个循环或100循环,在经过若干次循环后,如果得到锁,就顺利进入临界区。如果还不能获得锁,那就会将线程在操作系统层面挂起,这就是自旋锁的优化方式,这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

锁消除
消除锁是虚拟机另外一种锁的优化,这种优化更彻底,Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译,又称即时编译),通过对运行上下文的扫描,去除不可能存在共享资源竞争的锁,通过这种方式消除没有必要的锁,可以节省毫无意义的请求锁时间,如下StringBuffer的append是一个同步方法,但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量,并且不会被其他线程所使用,因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景,JVM会自动将其锁消除。

参考文章:深入理解Java并发之synchronized实现原理