Java并发-synchronized实现原理

Synchronized的实现原理

synchronized实现原理依赖于JVM的Monitor（监视器锁）和对象头（Object Header）。

当synchronized修饰在方法或代码块上时，会对特定的对象或类加锁，从而确保同一时刻只有一个线程能执行加索的代码块。

  • synchronized修饰方法：方法的常量池会增加一个ACC_SYNCHRONIZED标志,当某个线程访问这个方法检查是否有ACC_SYNCHRONIZED标志，若有则需要获得监视器锁才可以执行方法，保证方法的同步。

  • synchronized修饰代码块：会在代码块的前后插入monitorenter和monitorexit字节码指令。可以把monitorenter理解为加锁，monitorexit理解为解锁。

synchronized关键字可以修饰代码块、实例方法和静态方法，本质上都是作用于对象。

对象头（Object Header）

在JVM中，每个对象的内存布局主要有两部分组成：

  • Mark Word：用于存储对象的运行时数据，包括锁状态、哈希码、GC分代信息等。

  • KIass Pointer：指向对象的类型元数据，帮助JVM确定对象的类型信息。

Mark Word是实现synchronized的关键，因为他会根据锁的状态保存不同的信息，具体包括：

  1. 未锁定状态
  2. 偏向锁状态
  3. 轻量级锁状态
  4. 重量级锁状态

锁的升级与优化

为了提高synchronized的性能，JVM从JDK1.6开始引入了锁的优化机制，包括偏向锁、轻量级锁、重量级锁，这些状态会根据线程的竞争情况就行动态升级或降级。

偏向锁

在没有锁竞争的情况下，锁总是“偏向”与第一个获得它的线程。偏向锁通过减少不必要的CAS操作来提高性能。

  • 加锁过程：当线程第一次请求锁时，JVM会将该线程的ID记录在对象头的Mark Word中，表示锁偏向于该线程。后续该线程再进入该锁时，无需进行额外的同步操作。

  • 撤销偏向锁：如果在偏向锁持有期间，另一个线程请求同一把锁，JVM会撤销偏向锁，并升级为轻量级锁。

轻量级锁

轻量级锁适用于多个线程短时间内争用同一锁的场景。

  • 加锁过程：当线程进入同步块时，JVM会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录，并将对象头中的Mark Word拷贝到锁记录中。线程尝试使用CAS操作将对象头中的Mark Word更新为指向锁记录的指针。如果成功，则表示该线程获取了锁；如果失败，则表示其他线程已经持有该锁，此时锁会升级为重量级锁。

  • 解锁过程：线程退出同步块时，JVM会将对象头中的Mark Word恢复为原始值。

重量级锁

当锁竞争激烈时，JVM会升级为重量级锁，重量级锁使用操作系统的互斥量（Mutex）机制来实现线程的阻塞于唤醒。

  • 加锁过程：如果线程无法通过轻量级锁获取锁，JVM会将该锁升级为重量级锁，并将当前线程阻塞。
  • 当线程释放重量级锁时，JVM会唤醒所有阻塞的线程，允许它们再次尝试获取锁。

锁升级总结

  1. 偏向锁：当一个线程第一次获取锁时，JVM会将该线程标记为“偏向”状态，后续若该线程再次获取该锁，几乎没有开销。
  2. 轻量级锁：当另一个线程尝试获取已经被偏向的锁时，锁会升级为轻量级锁，使用CAS 操作来减少锁竞争的开销。
  3. 重量级锁：当CAS失败无法获取锁，锁会升级为重量级锁，线程会被挂起，直到锁被释放。

Synchronized的可重入性

synchronized是可重入的，每获取一次锁，计数器+1，释放锁时，计数器-1，直到为0，释放锁。