synchronized / Lock
1.JDK 1.5之前，Java通过synchronized关键字来实现锁功能
- synchronized是JVM实现的内置锁，锁的获取和释放都是由JVM隐式实现的
2.JDK 1.5，并发包中新增了Lock接口来实现锁功能
- 提供了与synchronized类似的同步功能，但需要显式获取和释放锁
3. Lock同步锁是基于Java实现的，而synchronized是基于底层操作系统的Mutex Lock实现的
- 每次获取和释放锁都会带来用户态和内核态的切换，从而增加系统的性能开销
- 在锁竞争激烈的情况下，synchronized同步锁的性能很糟糕
- 在JDK 1.5，在单线程重复申请锁的情况下，synchronized锁性能要比Lock的性能差很多
4.JDK 1.6，Java对synchronized同步锁做了充分的优化，甚至在某些场景下，它的性能已经超越了Lock同步锁
实现原理
public class SyncTest {
public synchronized void method1() {
}
public void method2() {
Object o = new Object();
synchronized (o) {
}
}
}
$ javac -encoding UTF-8 SyncTest.java
$ javap -v SyncTest
修饰方法
public synchronized void method1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
stack=0, locals=1, args_size=1
0: return
- JVM使用ACC_SYNCHRONIZED访问标识来区分一个方法是否为同步方法
- 在方法调用时，会检查方法是否被设置了ACC_SYNCHRONIZED访问标识
- 如果是，执行线程会将先尝试持有Monitor对象，再执行方法，方法执行完成后，最后释放Monitor对象
修饰代码块
public void method2();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: new #2 // class java/lang/Object
3: dup
4: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: dup
10: astore_2
11: monitorenter
12: aload_2
13: monitorexit
14: goto 22
17: astore_3
18: aload_2
19: monitorexit
20: aload_3
21: athrow
22: return
- synchronized修饰同步代码块时，由monitorenter和monitorexit指令来实现同步
- 进入monitorenter指令后，线程将持有该Monitor对象，进入monitorexit指令，线程将释放该Monitor对象
管程模型
1.JVM中的同步是基于进入和退出管程（Monitor）对象实现的
2.每个Java对象实例都会有一个Monitor，Monitor可以和Java对象实例一起被创建和销毁
3.Monitor是由ObjectMonitor实现的，对应ObjectMonitor.hpp
4.当多个线程同时访问一段同步代码时，会先被放在EntryList中
5.当线程获取到Java对象的Monitor时（Monitor是依靠底层操作系统的Mutex Lock来实现互斥的）
- 线程申请Mutex成功，则持有该Mutex，其它线程将无法获取到该Mutex
6.进入WaitSet
- 竞争锁失败的线程会进入WaitSet
- 竞争锁成功的线程如果调用wait方法，就会释放当前持有的Mutex，并且该线程会进入WaitSet
- 进入WaitSet的进程会等待下一次唤醒，然后进入EntryList重新排队
7.如果当前线程顺利执行完方法，也会释放Mutex
8.Monitor依赖于底层操作系统的实现，存在用户态和内核态之间的切换，所以增加了性能开销
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; // 记录个数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL; // 持有该Monitor的线程
_WaitSet = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入 _WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; // 多个线程访问同步块或同步方法，会首先被加入 _EntryList
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
_previous_owner_tid = 0;
}
锁升级优化
- 为了提升性能，在JDK 1.6引入偏向锁、轻量级锁、重量级锁，用来减少锁竞争带来的上下文切换
- 借助JDK 1.6新增的Java对象头，实现了锁升级功能
Java对象头
- 在JDK 1.6的JVM中，对象实例在堆内存中被分为三部分：对象头、实例数据、对齐填充
- 对象头的组成部分：Mark Word、指向类的指针、数组长度（可选，数组类型时才有）
- Mark Word记录了对象和锁有关的信息，在64位的JVM中，Mark Word为64 bit
- 锁升级功能主要依赖于Mark Word中锁标志位和是否偏向锁标志位
- synchronized同步锁的升级优化路径：偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁
偏向锁
- 偏向锁主要用来优化同一线程多次申请同一个锁的竞争，在某些情况下，大部分时间都是同一个线程竞争锁资源
- 偏向锁的作用
- 当一个线程再次访问同一个同步代码时，该线程只需对该对象头的Mark Word中去判断是否有偏向锁指向它
- 无需再进入Monitor去竞争对象（避免用户态和内核态的切换）
- 当对象被当做同步锁，并有一个线程抢到锁时
- 锁标志位还是01，是否偏向锁标志位设置为1，并且记录抢到锁的线程ID，进入偏向锁状态
- 偏向锁不会主动释放锁
- 当线程1再次获取锁时，会比较当前线程的ID与锁对象头部的线程ID是否一致，如果一致，无需CAS来抢占锁
- 如果不一致，需要查看锁对象头部记录的线程是否存活
- 如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态（也是一种撤销），然后重新偏向线程2
- 如果存活，查找线程1的栈帧信息
- 如果线程1还是需要继续持有该锁对象，那么暂停线程1（STW），撤销偏向锁，升级为轻量级锁
- 如果线程1不再使用该锁对象，那么将该锁对象设为无锁状态（也是一种撤销），然后重新偏向线程2
- 一旦出现其他线程竞争锁资源时，偏向锁就会被撤销
- 偏向锁的撤销可能需要等待全局安全点，暂停持有该锁的线程，同时检查该线程是否还在执行该方法
- 如果还没有执行完，说明此刻有多个线程竞争，升级为