关于java:JDK成长记15从0分析你不知道的synchronized底层原理上

前几节你应该曾经理解和把握了Thread、ThreadLocal、Volatile这几个并发基础知识的底层原理。这一节，你能够跟我一起深刻理解下synchronized关键字的底层原理和其波及的基础知识。看完这篇成长记，你能够获取到如下几点：

synchronized准备常识：

了解什么是CAS？
synchronized会造成几种锁的类型
HotspotJVM虚拟机Java对象内存中的布局构造是什么，markword是锁的关键字段？
操作系统中用户态和内核态的资源操作和过程是什么意思？

synchronized外围流程及原理：

从3个层面初步剖析sychronized的外围流程和原理

好了，让咱们一起开始吧！

HelloSychronized

<div class="output_wrapper" id="output_wrapper_id" style="width:fit-content;font-size: 16px; color: rgb(62, 62, 62); line-height: 1.6; word-spacing: 0px; letter-spacing: 0px; font-family: 'Helvetica Neue', Helvetica, 'Hiragino Sans GB', 'Microsoft YaHei', Arial, sans-serif;"><h3 id="hdddd" style="width:fit-content;line-height: inherit; margin: 1.5em 0px; font-weight: bold; font-size: 1.3em; margin-bottom: 2em; margin-right: 5px; padding: 8px 15px; letter-spacing: 2px; background-image: linear-gradient(to right bottom, rgb(43,48,70), rgb(43,48,70)); background-color: rgb(63, 81, 181); color: rgb(255, 255, 255); border-left: 10px solid rgb(255,204,0); border-radius: 5px; text-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 1px; box-shadow: rgb(102, 102, 102) 1px 1px 2px;"><span style="font-size: inherit; color: inherit; line-height: inherit; margin: 0px; padding: 0px;">HelloSychronized</span></h3></div>

咱们来写一个多线程i++的程序，体验一下，多线程如果是并发的批改一个数据，会有什么样的线程并发平安问题。

方才说过了，volatile，解决的对一个共享数据，有人写，有人读，多个线程并发读和写的可见性的问题，而多个线程对一个共享数据并发的写，可能会导致数据出错，产生原子性的问题。

volatile为什么不能保障原子性？ 从JMM内存模型就可以看进去，多个线程同时批改一个变量，都是在本人本地内存中批改，volatile只是保障一个线程批改，另一个线程读的时候，发动批改的线程是强制刷新数据主存，过期其余线程的工作内存的缓存，没法做到多个线程在本地内存同时写的时候，限度只能有一个线程批改，因为线程本人批改本人内存的数据没有产生竞争关系。而且之后会给各自写入主内存，当然就保障不了只能有一个线程批改主内存的数据，做不到原子性了。

为了解决这个问题，能够应用syncrhonized给批改这个操作加一把锁，一旦说某个线程加了一把锁之后，就会保障，其余的线程没法去读取和批改这个变量的值了，同一时间，只有一个线程能够读这个数据以及批改这个数据，别的线程都会卡在尝试获取锁那儿。这样也就不会呈现并发同时批改，数据出错，原子性问题了。

synchronized锁个别有两类，一种是对某个实例对象来加锁，另外一种是对这个类进行加锁。置信大家很相熟了，这里用一个Hello synchronized的小例子，举一个简略对象加锁的例子。

代码如下：

  public class HelloSynchronized {    public static void main(String[] args) {      Object o = new Object();      synchronized (o){      }    }  }

对类加锁和对实例对象的更多例子这里就不举例了，咱们更多的是钻研synchronized它的底层原理。根本的应用置信你肯定能够本人学习到。

在剖析sychronized原理期间，须要一直的补充一些基础知识。

学习sychronized先决条件(Prerequisites)

sychronized锁的概念

在JDK 晚期 sychronized 应用的时候，间接创立的重量级锁，性能很不好。

在之后JDK新的版本中，sychronized优化了锁，分为了4种，无锁态、偏差锁、自旋锁（轻量锁）、分量锁，会依据状况主动降级锁。

这四种锁别离示意什么意思呢？

无锁态示意第一次对刚创立的对象或者类加锁时的状态。我发现只有一个线程在操作代码块的资源，压根不须要加锁。此时会处于无锁态。

偏差锁，相似于贴标签，示意这个资源临时属于某个线程，偏差它所有了。打个比方，就好比一个座位只能做一个人，你坐下后，在座位上贴上了你本人的标签。他人发现曾经有标签了，必定就不会在坐了。

轻量锁（自旋锁）：轻量锁，底层是CAS自旋的操作，所以也叫自旋锁。这里简略遍及下自旋CAS的操作流程，之后将Aotmic类的时候会认真讲下。CAS自旋流程如下：

最初咱们来聊下什么是重量级锁？这又要牵扯另一个常识了。在Linux操作系统层面，因为须要限度不同的程序之间的拜访能力, 避免他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级用户态和内核态。用于示意过程运行时所处状态。

你能够简略了解，一个程序启动后会有对应的过程，它们操作的资源分为两种，属于用户态的资源或者内核态的资源。

用户态是不能间接操作内核态中资源的，只能告诉内核态来操作。这个在硬件级别也有对应的指令级别（比方Intel ring0-ring3级别的指令，ring0级别个别对应的就是用户态过程能够操作的指令，ring3对应的是内核态过程能够发动的指令）。

如下图所示：

这个和synchronized有什么关系呢？因为synchronized加重量级锁的操作，是对硬件资源的锁指令操作，所以必定是须要处于内核态的过程才能够操作，JVM的过程只是处于用户态的过程，所以须要向操作系统申请，这个过程必定会很耗费资源的。

比方，synchronized的实质是JVM用户空间的一个过程（处于用户态）向操作系统(内核态)发动一个lock的锁指令操作。

C++代码如下：

  //Adding a lock prefix to an instruction on MP machine  \#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; local; 1 : "

如下图左边所示：

sychronized锁状态的记录

理解了sychronized的锁的几种类型后，怎么标识是什么样的synchronized锁呢？这个就要聊到Java的对象在JVM的内存中的构造了。不同虚拟机构造略有差异，这里讲一下HotSpot虚拟机中的对象构造：

synchronized锁状态的信息就记录在markword中。markword在64位的操作系统上，8字节，64位大小的空间的区域。

不同的锁的标记在如下图所示：

这个表你不必背下来，你只有晓得，synchronized的轻量锁和分量锁通过2位即能够辨别进去，偏差锁和无锁须要3位。

有了下面的基础知识后，就能够开始钻研synchronized的底层原理了。

字节码层面的synchronized

sychronized在Java代码层面就如下面Hello Synconized那个最简略的例子所示，咱们来看下它的字节码层面是什么样子的？

下面main办法的字节码如下：

0 new #2 <java/lang/Object> 3 dup 4 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init>> 7 astore_1 8 aload_1 9 dup 10 astore_2 11 monitorenter 12 aload_2 13 monitorexit 14 goto 22 (+8) 17 astore_3 18 aload_2 19 monitorexit 20 aload_3 21 athrow 22 return

new、dup、invokespecial、 astore_1这些指令是学习volatile的时候你应该很相熟了。我这里须要关注的是另外 2个外围的JVM指令：monitorenter、monitorexit。

这个示意sychronized加锁的同步代码块的进入和退出。为什么有两个monitorexit呢？一个是失常退出，一个抛出异样也会退出开释锁。

JVM层面的synchronized

那么，当 JVM的HotSpot实现中，当遇到这两个JVM指令，又是如何执行的呢？让咱们来看一下。

在JVM HotSpot的C++代码理论执行过程中，执行了一个InterpreterRuntime:: monitorenter办法，代码如下：

  IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))  \#ifdef ASSERT   thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);  \#endif   if (PrintBiasedLockingStatistics) {    Atomic::inc(BiasedLocking::slow_path_entry_count_addr());   }   Handle h_obj(thread, elem->obj());  assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()),       "must be NULL or an object");   if (UseBiasedLocking) {    // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation    ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);   } else {    ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);   }   assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(elem->obj()),       "must be NULL or an object");  \#ifdef ASSERT   thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);  \#endif  IRT_END

你能够看下下面的办法的脉络（不懂C++也没有关系，懂if-else就行）。它的外围有两个if。

第一个if依据变量名字PrintBiasedLockingStatistics能够判断出应该是打印偏差锁的统计信息，显著不是最重要的。

第二个if同理，UseBiasedLocking示意了是否应用了偏差锁，如果是调用了ObjectSynchronizer::fast_enter否则

ObjectSynchronizer::slow_enter。

很显著，第二个if中是synchronized加锁的外围代码。咱们还须要持续看下它们的脉络。

代码如下：synchronizer.cpp

void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock, bool attempt_rebias, TRAPS) {    if (UseBiasedLocking) {      if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {       BiasedLocking::Condition cond = BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);       if (cond == BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {        return;       }      } else {       assert(!attempt_rebias, "can not rebias toward VM thread");       BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);      }      assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");    }      slow_enter (obj, lock, THREAD) ;    }

能够看到fast_enter办法，外围脉络除了勾销偏差和从新偏差的逻辑（从变量明和正文能够看进去，这里临时不重要，先疏忽），最初外围脉络还是调用了slow_enter办法。让咱们来看下：

void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {   markOop mark = obj->mark();   assert(!mark->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here");    if (mark->is_neutral()) {    // Anticipate successful CAS -- the ST of the displaced mark must    // be visible <= the ST performed by the CAS.    lock->set_displaced_header(mark);    if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) {     TEVENT (slow_enter: release stacklock) ;     return ;    }    // Fall through to inflate() ...   } else   if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {    assert(lock != mark->locker(), "must not re-lock the same lock");    assert(lock != (BasicLock*)obj->mark(), "don't relock with same BasicLock");    lock->set_displaced_header(NULL);    return;   }  \#if 0   // The following optimization isn't particularly useful.  if (mark->has_monitor() && mark->monitor()->is_entered(THREAD)) {    lock->set_displaced_header (NULL) ;    return ;   }  \#endif      // The object header will never be displaced to this lock,   // so it does not matter what the value is, except that it   // must be non-zero to avoid looking like a re-entrant lock,   // and must not look locked either.   lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());   ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);  }

下面这一段是sychronized加锁，外围中的外围，能够发现很多有意思的中央：

1） 从正文能够看出，锁会有收缩过程，对象头会记录锁的相干信息。

2） Atomic::cmpxchg_ptr体现了ompare and exchange (CAS)操作，是轻量级锁。

3） mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker()体现了synchronized是可重入锁

4） 最初的ObjectSynchronizer::inflate意思为收缩为重量级锁。

C++的代码有很多细节和常识，你开始学习的时候不要想着全副搞清楚，肯定要有之前学到的思维，先脉络后细节。搞清楚脉络再说钻研细节的局部。

所以，通过初步看过synchronized的HotSpot C++代码实现，重点的脉络就是锁降级的过程和原理，接下来重点剖析一下这个过程。

synchronized锁降级的过程

后面通过从字节码层面到JVM层面初步理解了synchronized的实现，联合之前说的sychronized的锁的几种类型。最终能够剖析进去synchronized锁会有一个降级的过程。过程如下图所示：

这个图十分重要，大家肯定要牢记住。下一节会破费整整一节来讲在这个图。

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