面试题:谈谈Synchronized实现原理!

发表于 3年以前  | 总阅读数:318 次

前言

线程安全是并发编程中的重要关注点。

造成线程安全问题的主要诱因有两点,一是存在共享数据(也称临界资源),二是存在多条线程共同操作共享数据。

为了解决这个问题,我们可能需要这样一个方案,当存在多个线程操作共享数据时,需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据,其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行。

在 Java 中,关键字 Synchronized可以保证在同一个时刻,只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)。

下面来一起探索Synchronized的基本使用、实现机制。

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用法

两类锁:

对象锁:包括方法锁(默认锁对象为this当前实例对象)和同步代码块锁(自己指定锁对象)。

类锁:指Synchronized修饰静态的方法或指定锁为Class对象。

当一个线程试图访问同步代码块时,它首先必须得到锁,而退出或抛出异常时必须释放锁。

  • 给普通方法加锁时,上锁的对象是 this;
  • 给静态方法加锁时,锁的是 class 对象;
  • 给代码块加锁,可以指定一个具体的对象作为锁。

代码示例如下:

public class SynchronizedTest {

    /**
     * 修饰静态方法, 等同于下面注释的方法
     */
    public synchronized static void test1() {
        System.out.println("月伴飞鱼");
    }


//    public static void test1() {
//        synchronized (SynchronizedTest.class){
//            System.out.println("月伴飞鱼");
//        }
//    }


    /**
     * 修饰实例方法, 等同于下面注释的方法
     */
    public synchronized void test2(){
        System.out.println("月伴飞鱼");
    }

//    public void test2(){
//        synchronized (this){
//            System.out.println("月伴飞鱼");
//        }
//    }

    /**
     * 修饰代码块
     */
    public void test3(){
        synchronized (this){
            System.out.println("月伴飞鱼");
        }
    }

}

多线程访问同步方法的几种情况:

两个线程同时访问一个对象的同步方法。

由于同步方法锁使用的是this对象锁,同一个对象的this锁只有一把,两个线程同一时间只能有一个线程持有该锁,所以该方法将会串行运行。

两个线程访问的是两个对象的同步方法。

由于两个对象的this锁互不影响,Synchronized将不会起作用,所以该方法将会并行运行。

两个线程访问的是Synchronized的静态方法。

Synchronized修饰的静态方法获取的是当前类模板对象的锁,该锁只有一把,无论访问多少个该类对象的方法,都将串行执行。

同时访问同步方法与非同步方法

非同步方法不受影响。

访问同一个对象的不同的普通同步方法。

由于this对象锁只有一个,不同线程访问多个普通同步方法将串行运行。

同时访问静态Synchronized和非静态Synchronized方法

静态Synchronized方法的锁为class对象的锁,非静态Synchronized方法锁为this的锁,它们不是同一个锁,所以它们将并行运行。

使用优化

大家在使用synchronized关键字的时候,可能经常会这么写:

synchronized (this) {
  ...
}

它的作用域是当前对象,锁的就是当前对象,谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的代码。

当有一个明确的对象作为锁时,就可以这么写,但是当没有一个明确的对象作为锁,只想让一段代码同步时,可以创建一个特殊的变量(对象)来充当锁:

public class Demo {
    private final Object lock = new Object();

    public void methonA() {
      synchronized (lock) {
        ...
      }
    }
}

这样写没问题。但是用new Object()作为锁对象是否是一个最佳选择呢?

我在StackOverFlow看到这么一篇文章:object-vs-byte0-as-lock

大意就是用new byte[0]作为锁对象更好,会减少字节码操作的次数。

public class Demo {
    private final byte[] lock = new byte[0];
}

具体细节大家,可以看看这篇文章,算提供一种思路吧!

实现原理

因为Synchronized锁的是对象,在讲解原理之前先介绍下对象结构相关知识。

HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充。

对象头

对象头包括两部分信息:运行时数据Mark Word和类型指针

如果对象是数组对象,那么对象头占用3个字宽(Word)(需要记录数组长度),如果对象是非数组对象,那么对象头占用2个字宽(1word = 2Byte = 16bit

对象头的类型指针指向该对象的类元数据,虚拟机通过这个指针可以确定该对象是哪个类的实例

Mark Word

用于存储对象自身的运行时数据, 如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(暂不考虑开启压缩指针的场景)中分别为32个和64个Bits。

Synchronized锁对象就存储在MarkWord中,下面是MarkWord的布局:

32位虚拟机

实例数据

实例数据就是在程序代码中所定义的各种类型的字段,包括从父类继承的

对齐填充

由于HotSpot的自动内存管理要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍,即对象的大小必须是8字节的整数倍,对象头的数据正好是8的整数倍,所以当实例数据不够8字节整数倍时,需要通过对齐填充进行补全

意思是每次分配的内存大小一定是8的倍数,如果对象头+实例数据的值不是8的倍数,那么会重新计算一个较大值,进行分配

底层实现

下面的代码,在命令行执行 javac,然后再执行javap -v -p,就可以看到它具体的字节码。

可以看到,在字节码的体现上,它只给方法加了一个 flag:ACC_SYNCHRONIZED

synchronized void syncMethod() {
        System.out.println("syncMethod");
}
synchronized void syncMethod();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #4
         3: ldc           #5
         5: invokevirtual #6
         8: return

我们再来看下同步代码块的字节码。可以看到,字节码是通过 monitorenter 和monitorexit 两个指令进行控制的。

void syncBlock(){
    synchronized (Test.class){
    }
}
void syncBlock();
    descriptor: ()V
    flags:
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2 
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter
         5: aload_1
         6: monitorexit // 两个monitorexit是表示正常退出和异常退出的场景
         7: goto          15
        10: astore_2
        11: aload_1
        12: monitorexit
        13: aload_2
        14: athrow
        15: return
      Exception table:
         from    to  target type
             5     7    10   any
            10    13    10   any

这两者虽然显示效果不同,但他们都是通过 monitor 来实现同步的。

其中在Java虚拟机(HotSpot)中,Monitor是由ObjectMonitor实现的,其主要数据结构如下(位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件,C++实现的):

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 用来记录该对象被线程获取锁的次数,这也说明了synchronized是可重入的
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  // 指向持有ObjectMonitor对象的线程
    _WaitSet      = NULL;  // 处于wait状态的线程,会被加入到_WaitSet,调用了wait方法之后会进入这里
    _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 ;
  }

每个 Java 对象在 JVM 的对等对象的头中保存锁状态,指向 ObjectMonitor。

ObjectMonitor 保存了当前持有锁的线程引用,EntryList 中保存目前等待获取锁的线程,WaitSet 保存 wait 的线程。

还有一个计数器count,每当线程获得 monitor 锁,计数器 +1,当线程重入此锁时,计数器还会 +1。当计数器不为 0 时,其它尝试获取 monitor 锁的线程将会被保存到EntryList中,并被阻塞。

当持有锁的线程释放了monitor 锁后,计数器 -1。当计数器归位为 0 时,所有 EntryList 中的线程会尝试去获取锁,但只会有一个线程会成功,没有成功的线程仍旧保存在 EntryList 中。

详细流程:

  1. 加锁时,即遇到Synchronized关键字时,线程会先进入monitor的_EntryList队列阻塞等待。
  2. 如果monitor的_owner为空,则从队列中移出并赋值与_owner
  3. 如果在程序里调用了wait()方法,则该线程进入_WaitSet队列。我们都知道wait方法会释放monitor锁,即将_owner赋值为null并进入_WaitSet队列阻塞等待。这时其他在_EntryList中的线程就可以获取锁了。
  4. 当程序里其他线程调用了notify/notifyAll方法时,就会唤醒_WaitSet中的某个线程,这个线程就会再次尝试获取monitor锁。如果成功,则就会成为monitor的owner。
  5. 当程序里遇到Synchronized关键字的作用范围结束时,就会将monitor的owner设为null,退出。

Java对象如何与Monitor关联

锁优化

相比于 JDK 1.5,在 JDK 1.6 中 HotSopt 虚拟机对 Synchronized 内置锁的性能进行了很多优化,包括自适应的自旋、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等。

自适应的自旋锁

在 JDK 1.6 中引入了自适应的自旋锁来解决长时间自旋的问题。

比如,如果最近尝试自旋获取某一把锁成功了,那么下一次可能还会继续使用自旋,并且允许自旋更长的时间;但是如果最近自旋获取某一把锁失败了,那么可能会省略掉自旋的过程,以便减少无用的自旋,提高效率。

锁消除

经过逃逸分析之后,如果发现某些对象不可能被其他线程访问到,那么就可以把它们当成栈上数据,栈上数据由于只有本线程可以访问,自然是线程安全的,也就无需加锁,所以会把这样的锁给自动去除掉。

锁粗化

按理来说,同步块的作用范围应该尽可能小,仅在共享数据的实际作用域中才进行同步,这样做的目的是为了使需要同步的操作数量尽可能缩小,缩短阻塞时间,如果存在锁竞争,那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。

但是加锁解锁也需要消耗资源,如果存在一系列的连续加锁解锁操作,可能会导致不必要的性能损耗。

锁粗化就是将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起,扩展成一个范围更大的锁,避免频繁的加锁解锁操作。

偏向锁/轻量级锁/重量级锁

JVM 默认会优先使用偏向锁,如果有必要的话才逐步升级,这大幅提高了锁的性能。

锁升级

锁的状态总共有四种,无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁

随着锁的竞争,锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级的重量级锁,但是锁的升级是单向的,也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级

从JDK 1.6中默认是开启偏向锁,可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁

偏向锁

在只有一个线程使用了锁的情况下,偏向锁能够保证更高的效率。

具体过程是这样的:当第一个线程第一次访问同步块时,会先检测对象头 Mark Word 中的标志位 Tag 是否为 01,以此判断此时对象锁是否处于无锁状态或者偏向锁状态。

线程一旦获取了这把锁,就会把自己的线程 ID 写到 MarkWord 中,在其他线程来获取这把锁之前,锁都处于偏向锁状态。

当下一个线程参与到偏向锁竞争时,会先判断 MarkWord 中保存的线程 ID 是否与这个线程 ID 相等,如果不相等,会立即撤销偏向锁,升级为轻量级锁。

轻量级锁

当锁处于轻量级锁的状态时,就不能够再通过简单地对比标志位 Tag 的值进行判断,每次对锁的获取,都需要通过自旋。

当然,自旋也是面向不存在锁竞争的场景,比如一个线程运行完了,另外一个线程去获取这把锁;但如果自旋失败达到一定的次数,锁就会膨胀为重量级锁。

重量级锁

重量级锁,这种情况下,线程会挂起,进入到操作系统内核态,等待操作系统的调度,然后再映射回用户态。系统调用是昂贵的,所以重量级锁的名称由此而来。

如果系统的共享变量竞争非常激烈,锁会迅速膨胀到重量级锁,这些优化就名存实亡。

如果并发非常严重,可以通过参数-XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁,理论上会有一些性能提升,但实际上并不确定。

优点 缺点 适用场景
偏向锁 加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距 如果线程间存在锁竞争,会带来额外的锁撤销的消耗 基本没有线程竞争锁的场景
轻量级锁 竞争的线程不会阻塞,提高了程序的响应速度 如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU 适用于少量线程竞争锁对象,且线程持有锁时间不长,追求响应时间的场景。
重量级锁 线程竞争不使用自旋,不会消耗CPU 线程阻塞,响应时间缓慢 追求吞吐量。竞争比较激烈,锁持有时间较长的场景

常见面试题

Synchronized和Lock的区别

  • Synchronized属于JVM层面,底层通过 monitorenter 和 monitorexit 两个指令实现,Lock是API层面的东西,JUC提供的具体类
  • Synchronized不需要用户手动释放锁,当Synchronized代码执行完毕之后会自动让线程释放持有的锁,Lock需要一般使用try-finally模式去手动释放锁
  • Synchronized是不可中断的,除非抛出异常或者程序正常退出,Lock可中断,使用lockInterruptibly,调用interrupt方法可中断
  • Synchronized是非公平锁,Lock默认是非公平锁,但是可以通过构造函数传入boolean类型值更改是否为公平锁
  • 锁是否能绑定多个条件,Synchronized没有condition的说法,要么唤醒所有线程,要么随机唤醒一个线程,Lock可以使用condition实现分组唤醒需要唤醒的线程,实现精准唤醒
  • Synchronized 锁只能同时被一个线程拥有,但是 Lock 锁没有这个限制,例如在读写锁中的读锁,是可以同时被多个线程持有的,可是 Synchronized做不到
  • 性能区别:在 Java 5 以及之前Synchronized的性能比较低,但是到了 Java 6 以后 JDK 对 Synchronized 进行了很多优化,比如自适应自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁、偏向锁等

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