深入JVM内置锁 synchronized 底层

2024-01-29 21:43:10

synchronized原理详解

什么是Monitor

synchronized轻量锁获取锁实现原理

synchronized轻量锁释放锁原理

synchronized原理详解

synchronized内置锁是一种对象锁(锁的是对象而非引用)，作用粒度是对象，可以用来实现对临界资源的同步互斥访问，是可重入的

什么是Monitor

在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor是由ObjectMonitor实现的。Synchronized的对象锁，MarkWord锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。其主要数据结构如下

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表（每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象），_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时：

首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor后，进入 _Owner区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器count加1；
若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒；
若当前线程执行完毕，也将释放monitor（锁）并复位count的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)；

synchronized底层原理

synchronized是基于JVM内置锁实现，通过内部对象Monitor(监视器锁)实现，基于进入与退出Monitor对象实现方法与代码块同步，监视器锁的实现依赖底层操作系统的Mutex lock（互斥锁）实现。JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销。

每个同步对象都有一个自己的Monitor(监视器锁)：

synchronized锁的升级过程

public class Test04 {
    private static Object objectLock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 强制开启
//        System.out.println(">>----------------无锁状态001-------------------<<");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
        System.out.println("开启了偏向锁，但是偏向锁没有关联偏向锁线程");
        synchronized(objectLock){
            // 偏向锁 关联偏向锁线程
             System.out.println("开启了偏向锁，偏向是给我们的主线程");
             System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
        }
        // 撤销偏向锁 是另外一个线程与偏向锁线程竞争
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (objectLock) {
                    try {
                        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
                        Thread.sleep(5000);
                        System.out.println("子线程：升级为轻量级锁");
                    } catch (Exception e) {

                    }
                }
            }
        }, "子线程1").start();
        Thread.sleep(1000);
        sync();
    }

    public static void sync() throws InterruptedException {
        System.out.println(" 主线程获取锁 重量级别锁");
        //11010000 01000000
        synchronized (objectLock) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(objectLock).toPrintable());
        }
    }

}

分析synchronized偏向锁原理

1.当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出；

2.同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1(表示当前是偏向锁)：如果没有设置，则，使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。