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synchronized在JVM底层的实现原理及Java多线程锁理解

分类: 文章 • 2023-04-05 14:41:37

第一部分：synchronized与static synchronized 的区别

第二部分：JVM底层又是如何实现synchronized的

第三部分：Java多线程锁，源代码剖析

第一部分：synchronized与static synchronized的区别

1、synchronized与static synchronized 的区别
      synchronized是对类的当前实例进行加锁，防止其他线程同时访问该类的该实例的所有synchronized块，注意这里是“类的当前实例”，类的两个不同实例就没有这种约束了。那么static synchronized恰好就是要控制类的所有实例的访问了，static synchronized是限制线程同时访问jvm中该类的所有实例同时访问对应的代码快。实际上，在类中某方法或某代码块中有 synchronized，那么在生成一个该类实例后，该类也就有一个监视快，放置线程并发访问该实例synchronized保护快，而static synchronized则是所有该类的实例公用一个监视快了，也就是两个的区别了,也就是synchronized相当于this.synchronized，而staticsynchronized相当于Something.synchronized.
      pulbic class Something(){
         public synchronized void isSyncA(){}
         public synchronized voidisSyncB(){}
         public static synchronizedvoid cSyncA(){}
         public static synchronizedvoid cSyncB(){}
     }

注解：该列子来自一个日本作者-结成浩的《java多线程设计模式》
    那么，假如有Something类的两个实例a与b，那么下列组方法何以被1个以上线程同时访问呢
   a.   x.isSyncA()与x.isSyncB() 
   b.   x.isSyncA()与y.isSyncA()
   c.   x.cSyncA()与y.cSyncB()
   d.   x.isSyncA()与Something.cSyncA()
    这里，很清楚的可以判断：
   a，都是对同一个实例的synchronized域访问，因此不能被同时访问
   b，是针对不同实例的，因此可以同时被访问
   c，因为是staticsynchronized，所以不同实例之间仍然会被限制,相当于Something.isSyncA()与   Something.isSyncB()了，因此不能被同时访问。
     那么，第d呢?，书上的 答案是可以被同时访问的，答案理由是synchronzied的是实例方法与synchronzied的类方法由于锁定（lock）不同的原因。
     个人分析也就是synchronized 与static synchronized 相当于两帮派，各自管各自，相互之间就无约束了，可以被同时访问。后面一部分将详细分析synchronzied是怎么样实现的。


结论：

A: synchronized static是某个类的范围，synchronized static cSync{}防止多个线程同时访问这个类中的synchronized static 方法。它可以对类的所有对象实例起作用。

B: synchronized 是某实例的范围，synchronized isSync(){}防止多个线程同时访问这个实例中的synchronized 方法。


2、synchronized方法与synchronized代码快的区别
      synchronizedmethods(){} 与synchronized（this）{}之间没有什么区别，只是 synchronized methods(){} 便于阅读理解，而synchronized（this）{}可以更精确的控制冲突限制访问区域，有时候表现更高效率。


3、synchronized关键字是不能继承的
     也就是说，基类的方法synchronized f(){} 在继承类中并不自动是synchronized f(){}，而是变成了f(){}。继承类需要你显式的指定它的某个方法为synchronized方法；

 

4、从源代码详细理解synchronized关键字（参考Observable类源码）

Java中的Observer模式，看了其中的Observable类的源码，发现里面几乎所有的方法都用了synchronized关键字（不是全部），其中个别用了synchronized(this){}的区块

参考网址：

http://www.learndiary.com/archives/diaries/2910.htm

http://www.cnblogs.com/shipengzhi/articles/2223100.html

 

第二部分：JVM底层又是如何实现synchronized的

目前在Java中存在两种锁机制：synchronized和Lock，Lock接口及其实现类是JDK5增加的内容，其作者是大名鼎鼎的并发专家DougLea。本文并不比较synchronized与Lock孰优孰劣，只是介绍二者的实现原理。

数据同步需要依赖锁，那锁的同步又依赖谁？synchronized给出的答案是在软件层面依赖JVM，而Lock给出的方案是在硬件层面依赖特殊的CPU指令，大家可能会进一步追问：JVM底层又是如何实现synchronized的？

 

本文所指说的JVM是指Hotspot的6u23版本，下面首先介绍synchronized的实现：

synrhronized关键字简洁、清晰、语义明确，因此即使有了Lock接口，使用的还是非常广泛。其应用层的语义是可以把任何一个非null对象作为"锁"，当synchronized作用在方法上时，锁住的便是对象实例（this）；当作用在静态方法时锁住的便是对象对应的Class实例，因为 Class数据存在于永久带，因此静态方法锁相当于该类的一个全局锁；当synchronized作用于某一个对象实例时，锁住的便是对应的代码块。在HotSpot JVM实现中，锁有个专门的名字：对象监视器。 

1. 线程状态及状态转换

当多个线程同时请求某个对象监视器时，对象监视器会设置几种状态用来区分请求的线程：

ContentionList：所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列

EntryList：ContentionList中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List

WaitSet：那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set

OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck

Owner：获得锁的线程称为Owner

!Owner：释放锁的线程

下图反映了这个状态转换关系：

synchronized在JVM底层的实现原理及Java多线程锁理解

新请求锁的线程将首先被加入到ConetentionList中，当某个拥有锁的线程（Owner状态）调用unlock之后，如果发现 EntryList为空则从ContentionList中移动线程到EntryList，下面说明下ContentionList和EntryList 的实现方式：

1.1 ContentionList 虚拟队列

ContentionList并不是一个真正的Queue，而只是一个虚拟队列，原因在于ContentionList是由Node及其next指 针逻辑构成，并不存在一个Queue的数据结构。ContentionList是一个后进先出（LIFO）的队列，每次新加入Node时都会在队头进行， 通过CAS改变第一个节点的的指针为新增节点，同时设置新增节点的next指向后续节点，而取得操作则发生在队尾。显然，该结构其实是个Lock- Free的队列。

因为只有Owner线程才能从队尾取元素，也即线程出列操作无争用，当然也就避免了CAS的ABA问题。

synchronized在JVM底层的实现原理及Java多线程锁理解

1.2 EntryList

EntryList与ContentionList逻辑上同属等待队列，ContentionList会被线程并发访问，为了降低对 ContentionList队尾的争用，而建立EntryList。Owner线程在unlock时会从ContentionList中迁移线程到 EntryList，并会指定EntryList中的某个线程（一般为Head）为Ready（OnDeck）线程。Owner线程并不是把锁传递给 OnDeck线程，只是把竞争锁的权利交给OnDeck，OnDeck线程需要重新竞争锁。这样做虽然牺牲了一定的公平性，但极大的提高了整体吞吐量，在 Hotspot中把OnDeck的选择行为称之为“竞争切换”。

OnDeck线程获得锁后即变为owner线程，无法获得锁则会依然留在EntryList中，考虑到公平性，在EntryList中的位置不 发生变化（依然在队头）。如果Owner线程被wait方法阻塞，则转移到WaitSet队列；如果在某个时刻被notify/notifyAll唤醒， 则再次转移到EntryList。

2. 自旋锁

那些处于ContetionList、EntryList、WaitSet中的线程均处于阻塞状态，阻塞操作由操作系统完成（在Linxu下通 过pthread_mutex_lock函数）。线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响 锁的性能

缓解上述问题的办法便是自旋，其原理是：当发生争用时，若Owner线程能在很短的时间内释放锁，则那些正在争用线程可以稍微等一等（自旋）， 在Owner线程释放锁后，争用线程可能会立即得到锁，从而避免了系统阻塞。但Owner运行的时间可能会超出了临界值，争用线程自旋一段时间后还是无法 获得锁，这时争用线程则会停止自旋进入阻塞状态（后退）。基本思路就是自旋，不成功再阻塞，尽量降低阻塞的可能性，这对那些执行时间很短的代码块来说有非 常重要的性能提高。自旋锁有个更贴切的名字：自旋-指数后退锁，也即复合锁。很显然，自旋在多处理器上才有意义。

还有个问题是，线程自旋时做些啥？其实啥都不做，可以执行几次for循环，可以执行几条空的汇编指令，目的是占着CPU不放，等待获取锁的机 会。所以说，自旋是把双刃剑，如果旋的时间过长会影响整体性能，时间过短又达不到延迟阻塞的目的。显然，自旋的周期选择显得非常重要，但这与操作系统、硬 件体系、系统的负载等诸多场景相关，很难选择，如果选择不当，不但性能得不到提高，可能还会下降，因此大家普遍认为自旋锁不具有扩展性。

自旋优化策略

对自旋锁周期的选择上，HotSpot认为最佳时间应是一个线程上下文切换的时间，但目前并没有做到。经过调查，目前只是通过汇编暂停了几个CPU周期，除了自旋周期选择，HotSpot还进行许多其他的自旋优化策略，具体如下：

如果平均负载小于CPUs则一直自旋

如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞

如果正在自旋的线程发现Owner发生了变化则延迟自旋时间（自旋计数）或进入阻塞

如果CPU处于节电模式则停止自旋

自旋时间的最坏情况是CPU的存储延迟（CPU A存储了一个数据，到CPU B得知这个数据直接的时间差）

自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异

那synchronized实现何时使用了自旋锁？答案是在线程进入ContentionList时，也即第一步操作前。线程在进入等待队列时 首先进行自旋尝试获得锁，如果不成功再进入等待队列。这对那些已经在等待队列中的线程来说，稍微显得不公平。还有一个不公平的地方是自旋线程可能会抢占了 Ready线程的锁。自旋锁由每个监视对象维护，每个监视对象一个。

3. JVM1.6偏向锁

在JVM1.6中引入了偏向锁，偏向锁主要解决无竞争下的锁性能问题，首先我们看下无竞争下锁存在什么问题：

现在几乎所有的锁都是可重入的，也即已经获得锁的线程可以多次锁住/解锁监视对象，按照之前的HotSpot设计，每次加锁/解锁都会涉及到一些CAS操 作（比如对等待队列的CAS操作），CAS操作会延迟本地调用，因此偏向锁的想法是一旦线程第一次获得了监视对象，之后让监视对象“偏向”这个 线程，之后的多次调用则可以避免CAS操作，说白了就是置个变量，如果发现为true则无需再走各种加锁/解锁流程。但还有很多概念需要解释、很多引入的 问题需要解决：

3.1 CAS及SMP架构

CAS为什么会引入本地延迟？这要从SMP（对称多处理器）架构说起，下图大概表明了SMP的结构：

synchronized在JVM底层的实现原理及Java多线程锁理解

其意思是所有的CPU会共享一条系统总线（BUS），靠此总线连接主存。每个核都有自己的一级缓存，各核相对于BUS对称分布，因此这种结构称为“对称多处理器”。

而CAS的全称为Compare-And-Swap，是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU比较后原子地更新某个位置的值，经过调查发现， 其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用，那些AtomicInteger类便是使用了这些封装后的 接口。

Core1和Core2可能会同时把主存中某个位置的值Load到自己的L1 Cache中，当Core1在自己的L1 Cache中修改这个位置的值时，会通过总线，使Core2中L1 Cache对应的值“失效”，而Core2一旦发现自己L1 Cache中的值失效（称为Cache命中缺失）则会通过总线从内存中加载该地址最新的值，大家通过总线的来回通信称为“Cache一致性流量”，因为总 线被设计为固定的“通信能力”，如果Cache一致性流量过大，总线将成为瓶颈。而当Core1和Core2中的值再次一致时，称为“Cache一致 性”，从这个层面来说，锁设计的终极目标便是减少Cache一致性流量。

而CAS恰好会导致Cache一致性流量，如果有很多线程都共享同一个对象，当某个Core CAS成功时必然会引起总线风暴，这就是所谓的本地延迟，本质上偏向锁就是为了消除CAS，降低Cache一致性流量。

Cache一致性：

上面提到Cache一致性，其实是有协议支持的，现在通用的协议是MESI（最早由Intel开始支持），具体参考：http://en.wikipedia.org/wiki/MESI_protocol，以后会仔细讲解这部分。

Cache一致性流量的例外情况：

其实也不是所有的CAS都会导致总线风暴，这跟Cache一致性协议有关，具体参考：http://blogs.oracle.com/dave/entry/biased_locking_in_hotspot

NUMA(Non Uniform Memory Access Achitecture）架构：

与SMP对应还有非对称多处理器架构，现在主要应用在一些高端处理器上，主要特点是没有总线，没有公用主存，每个Core有自己的内存，针对这种结构此处不做讨论。

3.2 偏向解除

偏向锁引入的一个重要问题是，在多争用的场景下，如果另外一个线程争用偏向对象，拥有者需要释放偏向锁，而释放的过程会带来一些性能开销，但总体说来偏向锁带来的好处还是大于CAS代价的。

4. 总结

关于锁，JVM中还引入了一些其他技术比如锁膨胀等，这些与自旋锁、偏向锁相比影响不是很大，这里就不做介绍。

通过上面的介绍可以看出，synchronized的底层实现主要依靠Lock-Free的队列，基本思路是自旋后阻塞，竞争切换后继续竞争锁，稍微牺牲了公平性，但获得了高吞吐量。

参考文献：http://www.open-open.com/lib/view/open1352431526366.html


第三部分：Java多线程锁，源代码剖析

多线程的同步依靠的是锁机制，java中可通过synchronized关键字锁锁住共享资源以实现异步多线程的达到同步。总结起来，要达到同步，我们要做的就是构造各线程间的共享资源，其中的共享资源可以对象，也可以是方法。

[java] view plain copy
  1. package algorithms.com.guan.zoo.stackTest;  
  2.   
  3. public class LockDemo {  
  4.     public static void main(String[] args) {  
  5.         MyRunnerVarLock runnerVarLock = new MyRunnerVarLock(new Integer(0));  
  6.         MyRunnerFuncLock runnerFuncLock = new MyRunnerFuncLock();  
  7.         MyRunnerNoLock runnerNoLock = new MyRunnerNoLock();   
  8.           
  9.         // 对共享对象进行加锁，线程会依次打印0-99的数，每一次运行的结果都一样  
  10.         for(int i = 0; i < 10; i++) {  
  11.             Thread thread = new Thread(runnerVarLock);  
  12.             thread.start();  
  13.         }  
  14.           
  15.         // 对共享函数进行加锁，线程会依次打印0-99的数，每一次运行的结果都一样  
  16.         for(int i = 0; i < 10; i++) {  
  17.             Thread thread = new Thread(runnerFuncLock);  
  18.             thread.start();  
  19.         }  
  20.           
  21.         // 未加锁，会因为线程调用的时序不同而发生变化，每一次运行的结果不一定相同  
  22.         for(int i = 0; i < 10; i++) {  
  23.             Thread thread = new Thread(runnerNoLock);  
  24.             thread.start();  
  25.         }  
  26.     }  
  27. }  
  28.   
  29. // 对共享对象进行加锁  
  30. class MyRunnerVarLock implements Runnable {  
  31.     private Object lock;  
  32.   
  33.     public MyRunnerVarLock(Object lock) {  
  34.         this.lock = lock;  
  35.     }  
  36.   
  37.     public void run() {  
  38.         synchronized (lock) {  
  39.             for (int i = 0; i < 100; i++) {  
  40.                 System.out.println("Lock: " + i);  
  41.             }  
  42.         }  
  43.     }  
  44. }  
  45.   
  46. // 对共享函数进行加锁  
  47. class MyRunnerFuncLock implements Runnable {  
  48.     public synchronized void run() {  
  49.         for (int i = 0; i < 100; i++) {  
  50.             System.out.println("Func lock: " + i);  
  51.         }  
  52.     }  
  53. }  
  54.   
  55. // 没有加锁  
  56. class MyRunnerNoLock implements Runnable {  
  57.     public void run() {  
  58.         for (int i = 0; i < 100; i++) {  
  59.             System.out.println("No lock: " + i);  
  60.         }  
  61.     }  
  62. }  

运行结果如下所示（尽供参考分析）：

Lock: 0
Lock: 1
Lock: 2
Lock: 3
Lock: 4
Lock: 5
Lock: 6
Lock: 7
Lock: 8
Lock: 9
Lock: 10
Lock: 11
Lock: 0
Lock: 1
Lock: 2
Lock: 3
Lock: 4
Lock: 5
Lock: 6
Lock: 7
Lock: 8
Lock: 9
Lock: 10
Lock: 11
Lock: 0
Lock: 1
Lock: 2
Lock: 3
Lock: 4
Lock: 5
Lock: 6
Lock: 7
Lock: 8
Lock: 9
Lock: 10
Lock: 11
Lock: 0
Lock: 1
Lock: 2
Lock: 3
Lock: 4
Lock: 5
Lock: 6
Lock: 7
Lock: 8
Lock: 9
Lock: 10
Lock: 11
Func lock: 0
Func lock: 1
Func lock: 2
Func lock: 3
Func lock: 4
Func lock: 5
Func lock: 6
Lock: 0
Lock: 1
Lock: 2
Lock: 3
Lock: 4
Lock: 5
Func lock: 7
Func lock: 8
Func lock: 9
Func lock: 10
Func lock: 11
Func lock: 0
Func lock: 1
Func lock: 2
Func lock: 3
Func lock: 4
Func lock: 5
Lock: 6
Lock: 7
Func lock: 6
Func lock: 7
Lock: 8
Lock: 9
Lock: 10
Lock: 11
Func lock: 8
Func lock: 9
Lock: 0
Lock: 1
Lock: 2
Lock: 3
Lock: 4
Lock: 5
Lock: 6
Lock: 7
Lock: 8
Lock: 9
Lock: 10
Lock: 11
Lock: 0
Lock: 1
Lock: 2
No lock: 0
No lock: 0
No lock: 1
No lock: 2
Func lock: 10
Func lock: 11
No lock: 3
No lock: 4
No lock: 5
No lock: 6
No lock: 0
No lock: 1
No lock: 0
No lock: 1
No lock: 2
No lock: 3
Lock: 3
No lock: 0
No lock: 1
No lock: 0
No lock: 0
No lock: 1
No lock: 2
No lock: 0
Lock: 4
No lock: 4
No lock: 0
No lock: 2
No lock: 1
No lock: 7
No lock: 0
Func lock: 0
No lock: 1
No lock: 8
No lock: 2
No lock: 3
No lock: 1
No lock: 5
Lock: 5
No lock: 1
No lock: 2
No lock: 3
No lock: 2
No lock: 1
No lock: 3
No lock: 4
No lock: 3
Lock: 6
No lock: 6
No lock: 2
No lock: 4
No lock: 5
No lock: 3
No lock: 9
No lock: 2
Func lock: 1
No lock: 3
No lock: 10
No lock: 4
No lock: 6
No lock: 3
No lock: 7
Lock: 7
Lock: 8
Lock: 9
Lock: 10
No lock: 4
No lock: 5
No lock: 5
No lock: 4
No lock: 2
No lock: 5
No lock: 6
No lock: 6
No lock: 7
Lock: 11
No lock: 8
No lock: 9
No lock: 4
No lock: 7
No lock: 5
No lock: 11
No lock: 4
Func lock: 2
No lock: 5
No lock: 6
No lock: 8
No lock: 5
No lock: 10
Lock: 0
No lock: 8
No lock: 7
No lock: 6
No lock: 3
No lock: 7
No lock: 8
No lock: 9
No lock: 10
Lock: 1
No lock: 11
No lock: 6
No lock: 9
No lock: 7
No lock: 7
No lock: 6
Func lock: 3
No lock: 7
No lock: 8
No lock: 8
No lock: 10
Lock: 2
No lock: 11
No lock: 9
No lock: 8
No lock: 9
No lock: 4
No lock: 10
No lock: 10
Lock: 3
No lock: 11
No lock: 9
No lock: 9
No lock: 8
Func lock: 4
No lock: 9
No lock: 10
No lock: 10
Lock: 4
No lock: 11
No lock: 11
No lock: 5
No lock: 6
No lock: 7
Lock: 5
No lock: 11
No lock: 11
No lock: 10
No lock: 11
Func lock: 5
Lock: 6
No lock: 8
Lock: 7
Func lock: 6
Lock: 8
No lock: 9
Lock: 9
Func lock: 7
Lock: 10
No lock: 10
No lock: 11
Lock: 11
Func lock: 8
Lock: 0
Func lock: 9
Lock: 1
Func lock: 10
Lock: 2
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Lock: 3
Func lock: 0
Lock: 4
Func lock: 1
Lock: 5
Func lock: 2
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Func lock: 5
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Func lock: 11
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Func lock: 1
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Func lock: 7
Lock: 10
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Func lock: 0
Func lock: 1
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Func lock: 5
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Func lock: 0
Func lock: 1
Func lock: 2
Func lock: 3
Func lock: 4
Func lock: 5
Func lock: 6
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Func lock: 8
Func lock: 9
Func lock: 10
Func lock: 11
Func lock: 0
Func lock: 1
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Func lock: 3
Func lock: 4
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Func lock: 3
Func lock: 4
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Func lock: 6
Func lock: 7
Func lock: 8
Func lock: 9
Func lock: 10
Func lock: 11

参考网址：http://www.kankanews.com/ICkengine/archives/19105.shtml

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