关于java-ee:基于synchronized锁的深度解析

1. 问题引入

小伙伴们都接触过线程，也都会应用线程，明天咱们要讲的是线程平安相干的内容，在这之前咱们先来看一个简略的代码案例。

代码案例：

/**
 * @url: i-code.online
 * @author: AnonyStar
 * @time: 2020/10/14 15:39
 */
public class ThreadSafaty {
    // 共享变量
    static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {

        // 创立线程
        Runnable runnable = () -> {for (int i = 0; i < 5; i++) {
                count ++;
                try {Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                }
            }
        };

        for (int i = 0; i < 100; i++) {new Thread(runnable,"Thread-"+i).start();}

        try {Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("count ="+ count);
    }
}

执行后果：

问题阐明：
在下面的代码中咱们能够看到，定义了一个线程 runnable 外面对公共成员变量进行 ++ 操作，并循环五次，每次睡眠一毫秒，之后咱们在主线程 main 办法中创立一百个线程并且启动，而后主线程睡眠期待五秒以此来等所有的线程执行完结。咱们预期后果应该是 500。然而理论执行后咱们发现 count 的值是不固定的，是小于 500 的，这里就是多线程并行导致的数据安全性问题！

通过上述案例咱们能够分明的看到线程平安的问题，那么咱们想想是否有什么方法来防止这种平安问题尼？咱们能够想到导致这种平安问题的起因是因为咱们拜访了共享数据，那么咱们是否能将线程访问共享数据的过程变成串行的过程那么不就是不存在这个问题了。这里咱们能够想到之前说的 锁，咱们晓得锁是解决并发的一种同步形式，同时他也具备互斥性，在 Java 中实现加锁是通过 synchronized 关键字

2. 锁的根本意识

2.1 Synchronized 的意识

在 Java 中咱们晓得有一个元老级的关键字 synchronized，它是实现加锁的要害，然而咱们始终都认为它是一个重量级锁，其实早在 jdk1.6 时就对其进行了大量的优化，让它曾经变成非常灵活。也不再始终是重量级锁了，而是引入了 偏差锁 和 轻量级锁。对于这些内容咱们将具体介绍。

synchronized 的根底应用

• synchronized 润饰 实例办法，作用于以后实例加锁
• synchronized 润饰 静态方法，作用于以后类对象加锁，
• synchronized 润饰 代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，

在上述情况中，咱们要进入被 synchronized 润饰的同步代码前，必须取得相应的锁，其实这也体现进去针对不同的润饰类型，代表的是锁的管制粒度

• 咱们批改一下后面咱们写的案例，通过应用 synchronized 关键字让其实现线程平安

 // 创立线程
        Runnable runnable = () -> {synchronized (ThreadSafaty.class){for (int i = 0; i < 5; i++) {
                    count ++;
                    try {Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                    }
                }
            }

        };

只须要增加 synchronized (ThreadSafaty.class) 的润饰，将操作的内容放入代码块中，那么就会实现线程平安

• 通过下面的实际咱们能够直观感触 synchronized 的作用，这是咱们平时开发中惯例应用，大家有没有过疑难，这个锁到底是怎么存储实现的？那么上面咱们将对摸索其中的神秘

Java 中锁的实现

• 咱们晓得锁是具备互斥性 (Mutual Exclusion) 的，那么它是在什么中央标记存在的尼？
• 咱们也晓得多个线程都能够获取锁，那么锁必然是能够共享的
• 咱们最相熟的 synchronized 它获取锁的过程到底是怎么样的呢？它的锁是如何存储的呢？

• 咱们能够留神察看 synchronized 的语法，能够看到 synchronized(lock) 是基于 lock 的生命周期来实现管制锁粒度的，这里肯定要了解，咱们取得锁时都时一个对象，那么锁是不是会和这个对象有关系呢？
• 到这里为止，咱们将所有的要害信息都指向了对象，那么咱们有必要以此为切入点，来首先理解对象在 jvm 中的散布模式，再来看锁是怎么被实现的。

对象的内存布局

• 这里咱们只议论对象在 Heap 中的布局，而不会波及过多的对于对象的创立过程等细节，这些内容咱们再独自文章具体论述，能够关注 i-code.online 博客或 wx "云栖简码"

• 在咱们最罕用的虚拟机 hotspot 中对象在内存中的散布能够分为三个局部：对象头（Header）、实列数据（Instance Data）、对其填充（Padding）

• 通过上述的图示咱们能够看到，对象在内存中，蕴含三个局部，其中对象头内分为 对象标记与类元信息，在对象标记中次要蕴含如图所示 hashcode、GC 分代年龄、锁标记状态、偏差锁持有线程 id、线程持有的锁 (monitor) 等六个内容，这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机中别离为 32bit 和 64bit，在官网将这部分称为 Mark Word。
• Mark Word 理论是一中能够动静定义的数据结构，这样能够让极小的空间存储尽量多的数据，依据对象的状态复用本人的内存空间，比方在 32 位的虚拟机中，如果对象未被同步锁锁定的状态下，Mark Word 的 32 个比特存储单元中，25 个用于存储哈希码，4 个用于存储 GC 分代年龄，2 个存锁标记位，1 个固定位 0，针对各个状态下的散布能够直观的参看上面的图表

32 位 HotSpot 虚拟机对象头 Mark Word

上述说的是 32 位虚拟机，须要留神。对于对象头的另一部分是类型指针，这里咱们不开展再细说了，想理解的关注 i-code.online , 会继续更新相干内容????????

• 上面内容会波及到源码的查看，须要提前下载源码，如果你不晓得如何来下载，能够参看《下载 JDK 与 Hotspot 虚拟机源码》这篇文章，或者关注 云栖简码。
• 在咱们相熟的虚拟机 Hotspot 中实现 Mark Word 的代码在 markOop.cpp 中，咱们能够看上面片段，这是形容了虚拟机中MarkWord 的存储布局：

• 当咱们在 new 一个对象时，虚拟机层面理论会创立一个 instanceOopDesc 对象，咱们相熟的 Hotspot 虚拟机采纳了 OOP-Klass 模型来形容 Java 对象实例，其中 OOP 就是咱们相熟的一般对象指针，而 Klass 则是形容对象的具体类型，在Hotspot 中别离用 instanceOopDesc 和 arrayOopDesc 来形容，其中arrayOopDesc 用来形容数组类型，

• 对于 instanceOopDesc 的实现咱们能够从 Hotspot 源码中找到。对应在 instanceOop.hpp 文件中，而相应的 arrayOopDesc 在 arrayOop.hpp 中，上面咱们来看一下相干的内容：

• 咱们能够看到 instanceOopDesc 继承了 oopDesc，而 oopDesc 则定义在 oop.hpp 中，

• 上述图示中咱们能够看到相干信息，具体也正文了文字，那么接下来咱们要摸索一下 _mark 的实现定义了，如下，咱们看到它是markOopDesc

• 通过代码跟进咱们能够在找到 markOopDesc 的定义在 markOop.hpp 文件中，如下图所示：

• 在上述图片中咱们能够看到，外部有一个枚举。记录了 markOop 中存储项，所以在咱们理论开发时，当 synchronized 将某个对象作为锁时那么之后的一系列锁的信息都和 markOop 相干。如下面表格中 mark word的散布记录所示具体的各个局部的含意
• 因为咱们创建对象时理论在 jvm 层面都会生成一个native 的c++ 对象 oop/oopdesc 来映射的，而每个对象都带有一个 monitor 的监视器对象，能够在 markOop.hpp 中看到，其实在多线程中争夺锁就是在抢夺 monitor 来批改相应的标记

Synchronized 的深刻

• 在 Java 中 synchronized 是实现互斥同步最根本的办法，它是一个块构造 (Block Structured) 的同步语法，在通过javac 编译后会在块的前后别离造成 monitorrenter 和 monitorexit 两个字节码指令，而它们又都须要一个 reference 类型的参数来指明锁对象，具体锁对象取决于 synchronized 润饰的内容，下面曾经说过不在论述。

《深刻了解 Java 虚拟机》中有这样的形容：
依据《Java 虚拟机标准》的要求，在执行 monitorenter 指令时，首先要去尝试获取对象的锁。如果 这个对象没被锁定，或者以后线程曾经持有了那个对象的锁，就把锁的计数器的值减少一，而在执行 monitorexit 指令时会将锁计数器的值减一。一旦计数器的值为零，锁随即就被开释了。如果获取对象 锁失败，那以后线程就该当被阻塞期待，直到申请锁定的对象被持有它的线程开释为止

• 所以被 synchronized 润饰的代码块对同一个线程是可重入的，这也就防止了同线程重复进入导致死锁的可能
• 在synchronized 润饰的代码块间接完结开释锁之前，会阻塞前面的其余线程

为什么说 synchronized 是重量级锁

• 从执行老本来说，持有锁是一个重量级 (Heavy-Weight) 的操作过程，因为在 Java 中线程都是映射到操作系统的原生内核线程上的，如果要阻塞和唤醒某一个线程都须要通过操作系统来调度，而这就不可避免的会进行用户态和内核态的转换，然而这种转换是十分消耗处理器工夫的，尤其对于自身业务代码简略的程序，可能在这里消耗的工夫比业务代码本身执行的工夫还长，所以说synchronized 是一个重量级的操作，不过在 jdk6 后对其做了大量的优化，让它不再显得那么重

锁的优化

• 在 JDK5 降级到 JDK6 后进行一系列对于锁的改良，通过多种技术手段来优化锁，让 synchronized 不再像以前一样显的很重，这其中波及到适应性自旋（Adaptive Spinning）、锁打消 (Lock Elimination)、锁收缩(Lock Coarsening)、轻量级锁(LightWeight Locking)、偏差锁(Biased Locking) 等，这些都是用来优化和进步多线程访问共享数据的竞争问题。

锁打消

• 锁打消是虚拟机在即时编译器运行时对一些代码要求同步，然而被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行打消，其中次要的断定根据是基于逃逸剖析技术来实现的，对于这块内容不在这里开展，后续相干文章介绍。这里咱们简略了解就是，如果一段代码中，在堆上的数据都不会逃逸进来被其余线程拜访到，那么就能够把它们当作栈上的数据来对来，认为它们都是线程公有的，从而也就不须要同步加锁了，

• 对于代码中变量是否逃逸，对虚拟机来说须要通过简单剖析能力失去，然而对咱们开发人员来说还是绝对直观的，那可能有人会纳闷既然开发人员能分明还为什么要多余的加锁同步呢？，其实实际上，程序上十分多的同步措施并不是咱们开发人员本人退出的，而是 java 外部就有大量的存在，比方上面这个典型的例子，上面展现的是字符串的相加

    private String concatString(String s1,String s2,String s3){return s1 + s2 + s3;}

• 咱们晓得 String 类是被 final 润饰的不可变类，所以对于字符串的相加都是通过生成新的String 对象来试试先的，因而编译器会对这种操作做优化解决，在JDK5 之前会转换为 StringBuffer 对象的append() 操作，而在JDK5 及其之后则转换为StringBuilder 对象来操作。所以上述代码在jdk5 可能会变成如下：

    private String concatString(String s1,String s2,String s3){StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(s1);
        sb.append(s2);
        sb.append(s3);
        return sb.toString();}

• 这时候，就能够看到，对于StringBuffer。append() 办法是一个同步办法，带有同步快，锁对象就是 sb , 这时候虚拟机通过剖析发现 sb 的作用域被限度在办法外部，而不可能逃逸出办法外让其余线程拜访到，所以这是在通过服务端编译器的即时编译后，这段代码的所有同步措施都会生效而间接执行。

上述代码是为了不便演示而抉择了 String，理论来说在 jdk5 之后都是转换为 Stringbuilder , 也就不存在这个问题了，然而在 jdk 中相似这种还是十分多的。

锁粗化

• 对于锁的粗话其实也是很简略的了解，咱们在开发时总是举荐同步代码块要作用范畴尽量小，尽量只在共享数据的理论作用域中才进行同步，这样的目标是为了尽可能减少同步的操作，让其余线程能更快的拿到锁
• 这是多大多数状况，然而总有一些非凡状况，比方在某个系列间断操作的都是对同一个对象重复的加锁和解锁，那么这会导致不必要的性能损耗
• 也如同下面String 的案例，在间断的append 操作都是系统的同步块，而且都是同一个锁对象，这时候会将锁的范畴扩大，到整个操作序列内部，也就是第一个append 之前到最初一个append 操作之后，将这些全副放入一个同步锁中就能够了，这样就防止了屡次的锁获取和开释。

自旋锁

• 通过之前的理解，咱们晓得挂起线程和复原线程都是会波及到用户态和内核态的转换，而这些都是十分耗时的，这会间接影响虚拟机的并发性能。
• 在咱们平时开发中，如果共享数据的锁定状态只会继续很短的工夫，那么为了这很短的工夫而去挂起阻塞线程是十分浪费资源的。尤其当初的电脑都根本是多核处理器，所以在这种前提下，咱们是是否能够让另一个申请锁对象的线程不去挂起，而是略微等一下，这个期待并不会放弃CPU 的执行工夫。期待察看持有锁的线程是否能很快的开释锁，其实这个期待就好比是一个空的循环，这种技术就是一个所谓的自旋锁

• 自旋锁在 JDK6 中及曾经是默认开启的了，在jdk4 时就引入了。自旋锁并不是阻塞也代替不了阻塞。
• 自旋锁对处理器数量有肯定的要求，同时它是会占用CPU 工夫的，尽管它防止了线程切换的开销，然而这之间时存在均衡关系的，如果锁被占用的工夫很短那么自旋就十分有价值，会节俭大量的工夫开销，然而相同，如果锁占用的工夫很长，那么自旋的线程就会白白耗费处理器资源，造成性能的节约。
• 所以自旋锁必须有一个限度，也就是它自旋的次数，规定一个自旋次数，如果超过这个次数则不再自旋转而用传统形式挂起线程，
• 自旋的次数默认时十次。然而咱们也能够通过 -XX: PreBlockSpin 参数来自定义设置

自适应自旋锁

• 在后面咱们晓得能够自定义自旋次数，然而这个很难有个正当的值，毕竟在程序中怎么样的状况都有，咱们不可能通过全局设置一个。所以在JDK6 之后引入了自适应自旋锁，也就是对原有的自旋锁进行了优化
• 自适应自旋的工夫不再是固定的，而是由前一次在同一个锁上的自旋工夫及锁的拥有者的状态决定的，如果在同一个锁对象上，自旋期待刚刚胜利取得过锁，并且反对有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会工作这次自旋也极有再次取得锁，那么就会容许自旋的持续时间更长
• 相应的，如果对于某个锁，自旋取得锁的次数非常少，那么在之后要获取锁的时候将间接疏忽掉自旋的过程进而间接阻塞线程避免浪费处理器资源

轻量级锁

• 轻量级锁也是 JDK6 时退出的新的锁机制，它的轻量级是绝对于通过操作系统互斥量来实现的传统锁而言的，轻量级锁也是一种优化，而不是能代替重量级锁，轻量级锁的波及初衷就是在没有多线程竞争下缩小传统重量级锁应用操作系统互斥量产生的性能耗费。
• 要想理解轻量级锁咱们必须对对象在Heap 中的散布理解，也就是下面说到的内容。

轻量级锁加锁

• 当代码执行到同步代码块时，如果同步对象没有被锁定也就是锁标记位为01 状态，那么虚拟机首先将在以后线程的栈帧中建设一个名为锁记录Lock Record 的空间
• 这块锁记录空间用来存储锁对象目前的 Mark Word 的拷贝，官网给其加了个Displaced 的前缀，即 Displaced Mark Word，如下图所示，这是在CAS 操作之前堆栈与对象的状态

• 当复制完结后虚构机会通过CAS 操作尝试把对象的Mark Word 更新为指向Lock Record 的指针，如果更新胜利则代表该线程领有了这个对象的锁，并且将Mark Word 的锁标记位（最初两个比特）转变为“00”，此时示意对象处于轻量级锁定状态，此时的堆栈与对象头的状态如下：

• 如果上述操作失败了，那阐明至多存在一条线程与以后线程竞争获取该对象的锁，虚构机会首先查看对象的Mark Word 是否指向以后线程的栈帧，如果是，则阐明以后线程曾经领有了这个对象的锁，那么间接进入同步代码块执行即可。否则则阐明这个对象曾经被其余线程抢占了。
• 如果有超过两条以上的线程抢夺同一个锁的状况，那么轻量级锁就不再无效，必须收缩为重量级锁，锁的标记位也变为“10”，此时Mark Word 中存储的就是指向重量级锁的指针，期待的线程也必须进入阻塞状态

轻量级锁的解锁

• 轻量级锁的解锁同样是通过CAS 操作来进行的
• 如果对象的 Mark Word 依然指向线程的锁记录，那么就用CAS 操作把对象以后的 Mark Word 和线程中复制的 Displaced Mark Word 替换回来
• 如果替换胜利则整个同步过程完结，若失败则阐明有其余线程正在尝试获取该锁，那就要在开释锁的同时，唤醒被挂起的线程

轻量级锁实用的场景是对于绝大部分锁在整个同步周期内都是不存在竞争的，因为如果没有竞争，轻量级锁便能够通过CAS 操作胜利防止了应用互斥量的开销，然而如果的确存在锁竞争，那么除了互斥量自身的开销外还得额定产生了CAS 操作的开销，这种状况下反而比重量级锁更慢

• 上面通过残缺的流程图来直观看一下轻量级锁的加锁解锁及收缩过程

偏差锁

• 偏差锁也是JDK6 引入的一种锁优化技术，如果说轻量级锁是在无竞争状况下通过CAS 操作打消了同步应用的互斥量，那么偏差锁则是再无竞争状况下把整个同步都给打消掉了，连CAS 操作都不再去做了，能够看出这比轻量级锁更加轻
• 从对象头的散布上看，偏差锁中是没有哈希值的而是多了线程 ID 与Epoch 两个内容
• 偏差锁的意思就是锁会偏差第一个取得它的线程，如果接下来的执行过程中该锁始终没有被其余线程获取，那么只有偏差锁的线程将永远不须要再进行同步

偏差锁的获取和撤销

• 当代码执行到同步代码块时，在第一次被线程执行到时，锁对象是第一次被线程获取，此时虚构机会将对象头中的锁标记改为“01”，同时把偏差锁标记位改为“1”，示意以后锁对象进入偏差锁模式。
• 接下来线程通过CAS 操作来将这个帧的线程 ID 记录到对象头中，如果CAS 胜利了。则持有锁对象的线程再之后进入同步代码不再进行任何同步操作（如获取锁解锁等操作）。每次都会通过判断以后线程与锁对象中记录的线程 id 是否统一。
• 如果 上述的 CAS 操作失败了，那阐明必定存在另外一个线程在获取这个锁，并且获取胜利了。这种状况下阐明存在锁竞争，则偏差模式马上完结，偏差锁的撤销，须要期待全局平安点(在这个工夫点上没有正在执行的字节码)。它会首先暂停领有偏差锁的线程，会依据锁对象是否处于锁定状态来决定是否撤销偏差也就是将偏差锁标记位改为“0”，如果撤销则会变为未锁定（“01”）或者轻量级锁（“00”）
• 如果锁对象未锁定，则撤销偏差锁（设置偏差锁标记位为“0”），此时锁处于未锁定不能够偏差状态，因为具备哈希值，进而变为轻量级锁
• 如果锁对象还在锁定状态则间接进入轻量级锁状态

偏差锁的开关

• 偏差锁在 JDK6 及其之后是默认启用的。因为偏差锁实用于无锁竞争的场景，如果咱们应用程序里所有的锁通常状况下处于竞争状态，能够通过 JVM 参数 敞开偏差锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。
• 如果要开启偏差锁能够用：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

重量级锁

• 重量级锁也就是上述几种优化都有效后，收缩为重量级锁，通过互斥量来实现，咱们先来看上面的代码

• 下面代码是一个简略应用了synchronized 的代码，咱们通过字节码工具能够看到右侧窗口。咱们发现，在同步代码块的前后别离造成了monitorenter 和 monitorexit 两条指令
• 在 Java 对现中都会有一个monitor 的监视器，这里的monitorenter 指令就是去获取一个对象的监视器。而相应的monitorexit 则示意开释监视器monitor 的所有权，容许被其余线程来获取
• monitor 是依赖于零碎的 MutexLock (互斥锁) 来实现的，当线程阻塞后进入内核态事，就会造成零碎在用户态和内核态之间的切换，进而影响性能

总结

• 下面是论述了对于synchronized 锁的一些优化与转换，在咱们开启偏差锁和自旋时，锁的转变是 无锁 -> 偏差锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁，
• 自旋锁理论是一种锁的竞争机制，而不是一种状态。在偏差锁和轻量级锁中都应用到了自旋
• 偏差锁实用于无锁竞争的场景，轻量级锁适宜无多个线程竞争的场景
• 偏差锁和轻量级锁都依赖与 CAS 操作，然而偏差锁中只有在第一次时才会 CAS 操作
• 当一个对象曾经被计算过一致性哈希值时，那么这个对象就再也不无奈进入到偏差锁状态了，如果对象正处于偏差锁状态，而接管到计算哈希值的申请，那么他的偏差锁状态会被立刻撤销，并且会收缩为重量级锁。这要是为什么偏差锁状态时MarkWord 中没有哈希值

本文由 AnonyStar 公布, 可转载但需申明原文出处。
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