synchronized底層揭祕

 

前言

上篇文章咱們從硬件級別探索，對可見性和有序性的認識上升了一個高度，卻遲遲沒有介紹原子性的解決方案。

今天咱們就來聊一聊原子性的解決方案，鎖。

引入鎖機制，除了能夠保證原子性，同時也能夠保證可見性和有序性。

相信小夥伴們對於synchronized互斥鎖必定很熟悉，可是你懂它的實現原理嗎，今天就讓咱們一塊兒來揭開它的神祕面紗吧。

 

synchronized的原子性

首先咱們來看一下synchronized是怎麼保證原子性的。

其實往最簡單瞭解釋，仍是比較容易理解的。synchronized加鎖主要靠的是monitor，monitor在java裏能夠理解成一個監視器，在操做系統裏它又被稱爲管程。

簡單的模型以下圖：

當咱們的程序經過synchronized鎖定一個對象的時候，這個對象會關聯一個monitor，獲取鎖時會對monitor中的計數器進行+1操做，釋放鎖的時候進行-1操做，同時也是支持可重入的，同一個線程再次獲取該對象的鎖，計數器就再+1。

若是計數器爲0就表明徹底釋放了鎖，其餘線程能夠獲取鎖。

若是線程調用了wait方法，會釋放鎖資源，同時把線程放入waitset中，等待notifyall方法喚醒，喚醒後從新開始競爭鎖資源。

這就是sychronized鎖的最簡單的解釋，咱們固然不會知足於此，接下來咱們繼續深刻研究一下。

先看一段代碼：

MyLock lock = new MyLock();//一個自定義的鎖對象
sychronized(lock){
//...
}

java的對象在內存中存儲的佈局能夠分爲三塊區域：對象頭（Header）、實例數據（Instance Data）和對齊填充（Padding）。

對象頭包含Mark Word(包含hashcode、鎖數據、GC信息等)和Class MetaData Address(指向Class對象的指針)。

實例數據就是咱們在對象裏存放的那些數據。

java要求對象大小爲8字節的整數倍，對齊填充就是用來填充字節的，沒有其餘意義。

Mark Word會指向一個monitor，這個monitor是C++實現的一個Object Monitor對象，首先線程在獲取鎖時，先進入到entry list中，而後經過CAS對count計數器進行+1操做，若是+1成功表明獲取到鎖，此時就會把該線程的信息放入owner中，owner就是用來存儲當前獲取到鎖的線程的。總體結構如圖所示：

 

 

 

 

sychronized的可見性

在說可見性以前，咱們先引入兩個概念：Store屏障和Load屏障。

Store屏障就是強制CPU執行flush操做，Load屏障就是強制CPU執行refresh操做。

flush和refresh咱們上篇文章已經說過，這裏就再也不解釋了。

那sychronized是如何實現可見性的呢，其實就是利用了內存屏障。以下：

sychronized(this){
   // monitorenter
   // Load內存屏障
   //...  
}
//monitorexit
//Store內存屏障

 

sychronized的有序性

一樣在說有序性以前引入兩個新的內存屏障：Acquire屏障和Release屏障。

Acquire屏障能夠禁止讀操做和其餘讀寫操做之間發生指令重排，Release屏障能夠禁止寫操做和其餘讀寫操做之間發生指令重排。

那sychronized是如何實現有序性的呢，其實就是利用了這兩個內存屏障。以下：

sychronized(this){
   // monitorenter
   // Load內存屏障
   // Acquire內存屏障
   //...  
   //Release內存屏障
}
 //monitorexit
 //Store內存屏障

須要注意的是Acquire屏障和Release屏障保證的是sychronized內部的代碼不會與外部的代碼之間發生指令重排，內部的代碼本身仍是可能發生指令重排的。

 

sychronized的鎖優化

jdk1.6後jvm對sychronized進行了鎖優化，這部分咱們作個概念瞭解就能夠了。

1.鎖消除

鎖消除是JIT編譯器對sychronized的優化，在編譯的時候會經過逃逸分析技術，來分析鎖對象。若是隻有一個線程來加鎖和解鎖，沒有鎖競爭，那就沒有必要加鎖，會去掉monitorenter和monitorexit指令。

2.鎖粗化

這個意思是，若是有多個連續的加鎖釋放鎖操做，那麼編譯後會變成一把鎖。

例如

sychronized(this){}

sychronized(this){}

sychronized(this){}

連着三個加鎖操做，編譯後會變成一個。

3.偏向鎖

偏向鎖主要是爲了減小monitorenter和monitorexit指令的CAS操做，減小開銷，若是認爲當前鎖大機率只有一個線程來競爭，那麼就會給這個鎖維護好一個偏好Bias，以後該線程加鎖和釋放鎖都經過這個Bias來執行，不須要去執行CAS了。

可是若是發現有其餘線程來競爭鎖，就會收回以前分配好的偏好。

4.輕量級鎖

若是偏向鎖沒能實現，也就是說有多個線程競爭鎖，那麼就會採用輕量級鎖。

其實就是將對象裏的輕量級鎖指針指向一個已經獲取了鎖的線程，而後判斷一下是否是本身加的鎖，若是是就直接執行，若是不是說明有其餘線程加了鎖，就會升級爲重量級鎖，重量級鎖流程咱們上文中介紹原子性的時候已經說過了。

5.適應性自旋鎖

在許多場景中，同步資源的鎖定時間很短，爲了這一小段時間去切換線程，線程掛起和恢復的花費可能會讓系統得不償失。爲了讓當前線程「稍等一下」，咱們需讓當前線程進行自旋。

若是在自旋完成後前面鎖同步資源的線程已經釋放了鎖，那麼當前線程就能夠沒必要阻塞而是直接獲取同步資源，從而避免了切換線程的開銷。這就是自旋鎖。

適應性自旋鎖意味着自旋的時間（次數）再也不固定，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。

 

總結

到這裏，有關synchronized的底層實現咱們基本上已經聊完了。

使用鎖來保證原子性，使用內存屏障來保證可見性和有序性。

同時jvm又對sychronized作了一些優化。

相信小夥伴們理解了本文的內容，會收穫頗豐。

那咱們下次再見。

 

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