java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程

  上几次博客,我们把volatile基本都说完了,剩下的还有我们的synchronized,还有我们的AQS,这次博客我来说一下synchronized的使用和原理。

  synchronized是jvm内部的一把隐式锁,一切的加锁和解锁过程是由jvm虚拟机来控制的,不需要我们认为的干预,我们大致从了解锁,到synchronized的使用,到锁的膨胀升级过程三个角度来说一下synchronized。

锁的分类

  java中我们听到很多的锁,什么显示锁,隐式锁,公平锁,重入锁等等,下面我来总结一张图来供大家学习使用。

java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第1张图片

 这次博客我们主要来说我们的隐示锁,就是我们的无锁到重量级锁。

synchronized的使用

  我们先来看一段简单的代码

public class SynchronizedTest {

    private static Object object = new Object();
    
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (object){
            System.out.println("只有我拿到锁啦");
        }
    }
}

  就这样synchronized就可以使用了,这样是每次去拿全局对象的object去锁住后续的代码段。我们来看一下汇编指令码

 public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field object:Ljava/lang/Object;
       3: dup
       4: astore_1
       5: monitorenter
       6: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       9: ldc           #4                  // String 只有我拿到锁啦
      11: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      14: aload_1
      15: monitorexit
      16: goto          24
      19: astore_2
      20: aload_1
      21: monitorexit
      22: aload_2
      23: athrow
      24: return
    Exception table:
       from    to  target type
           6    16    19   any
          19    22    19   any

  明显看到了两个很重要的方法monitorenter和monitorexit两个方法,也就是说我们的synchronized方法加锁是基于monitorenter加锁和monitorexit解锁来操作的

java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第2张图片

  我们得知是由monitorenter来控制加锁和monitorexit解锁的,我们完全可以这样来操作。上次我们说过一个unsafe类。

public class SynchronizedTest {

    private static Object obj = new Object();

    public void lockMethod(){
        UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().monitorEnter(obj);
    }
    
    public void unLockMethod(){
        UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().monitorExit(obj);
    }
}

  就是我们上次说的unsafe那个类给我们提供了加锁和解锁的方法,这样就是实现夸方法的加锁和解锁了,但是超级不建议这样的使用,后面的AQS回去说别的方式。越过虚拟机直接操作底层的,我们一般是不建议这样来做的。

  我们还可以将synchronized锁放置在方法上。例如

public class SynchronizedTest {

    private static Object object = new Object();

    public static synchronized void lockMethod() {
        System.out.println("只有我拿到锁啦");
    }
}

  这样加锁是加在了this当前类对象上的。如果不加static,锁是加在类对象上的,需要注意我们用的spring的bean作用域

  并且我们的synchronized是一个可重入锁,在jvm源码中有一个数值来记录加锁和解锁的次数,所以我们是可以多次套用synchronized的

public void lockMethod(){
    synchronized(obj){
        synchronized(obj){
            System.out.println("我没报错");
        }
    }
}

synchronized到底锁了什么

  还是拿上个每次加锁的时候会在对象头内记录我们的加锁信息,我们这里来说一下对象头里面都放置了什么吧。

以32位JVM内部存储结构为例

锁状态

25 bit

4bit

1bit

2bit

锁标志位

是否是偏向锁

23bit

2bit

GC标记

11

重量级锁

指向重量级锁Monitor的指针(依赖Mutex操作系统的互斥)

 

10

轻量级锁

指向线程栈中锁记录的指针

pointer to Lock Record

00

偏向锁

线程ID

Epoch

对象分代年龄

1

01

无锁

对象的hashCode

对象分代年龄

0

01

  由此看出对象一直是有一个位置来记录我们的锁信息的。说到这我们就可以来看一下我们锁的膨胀升级过程了。

锁的膨胀升级

  我们说过了对象头的内容,接下来可以说说我们的锁内部是如何升级上锁的了。从无锁到重量级锁的一个升级过程,我们来边画图,边详细看一下。

  无锁状态:

java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第3张图片

   开始时应该这样的,线程A和线程B要去争抢锁对象,但还未开始争抢,锁对象的对象头是无锁的状态也就是25bit位存的hashCode,4bit位存的对象的分代年龄,1bit位记录是否为偏向锁,2bit位记录状态,优先看最后2bit位,是01,所以说我们的对象可能无锁或者偏向锁状态的,继续前移一个位置,有1bit专门记录是否为偏向锁的,1代表是偏向锁,0代表无锁,刚刚开始的时候一定是一个无锁的状态,这个不需要多做解释,系统不同内部bit位存的东西可能有略微差异,但关键信息是一致的。

  偏向锁:

  这时线程开始占有锁对象,比如线程A得到了锁对象。java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第4张图片 

 就会变成这样的,线程A拿到锁对象,将我们的偏向锁标志位改为1,并且将原有的hashCode的位置变为23bit位存放线程A的线程ID(用CAS算法得到的线程A的ID),2bit位存epoch,偏向锁是永远不会被释放的。

  接下来,线程B也开始运行,线程B也希望得到这把锁啊,于是线程B会检查23bit位存的是不是自己的线程ID,因为被线程A已经持有了,一定锁的23bit位一定不是线程B的线程ID了java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第5张图片

   然后线程B也会不甘示弱啊,会尝试修改一次23bit位的对象头存储,如果说这时恰好线程A释放了锁,可以修改成功,然后线程B就可以持有该偏向锁了。如果修改失败,开始升级锁。自己无法修改,线程B只能找“大哥”了,线程B会通知虚拟机撤销偏向锁,然后虚拟机会撤销偏向锁,并告知线程A到达安全点进行等待。线程A到达了安全点,会再次判断线程是否已经退出了同步块,如果退出了,将23bit位置空,这时锁不需要升级,线程B可以直接进行使用了,还是将23bit的null改为线程B的线程ID就可以了。

java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第6张图片

   轻量级锁:如果线程B没有拿到锁,我们就会升级到轻量级锁,首先会在线程A和线程B都开辟一块LockRecord空间,然后把锁对象复制一份到自己的LockRecord空间下,并且开辟一块owner空间留作执行锁使用,并且锁对象的前30bit位合并,等待线程A和线程B来修改指向自己的线程,假如线程A修改成功,则锁对象头的前30bit位会存线程A的LockRecord的内存地址,并且线程A的owner也会存一份锁对象的内存地址,形成一个双向指向的形式。而线程B修改失败,则进入一个自旋状态,就是持续来修改锁对象。

java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第7张图片

   重量级锁:如果说线程B多次自旋以后还是迟迟没有拿到锁,他会继续上告,告知虚拟机,我多次自旋还是没有拿到锁,这时我们的线程B会由用户态切换到内核态,申请一个互斥量,并且将锁对象的前30bit指向我们的互斥量地址,并且进入睡眠状态,然后我们的线程A继续运行知道完成时,当线程A想要释放锁资源时,发现原来锁的前30bit位并不是指向自己了,这时线程A释放锁,并且去唤醒那些处于睡眠状态的线程,锁升级到重量级锁。

java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第8张图片

逃逸分析

  很简单的一个问题,实例对象存在哪里?到底是堆还是栈?问题我先不回答,我们先看一段代码。

public class Test {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println("开始");
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            createCar();
        }
        System.out.println("结束");
        Thread.sleep(10000000);
    }


    private static void createCar() {
        Car car = new Car();
    }
}

就是我们运行一个创建对象的方法,一次性创建50万个Car对象,然后我们让我们的线程进行深度的睡眠,两个打印是为了知道我们的对象已经开始创建了和已经创建完成了。我们来运行一下。

java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第9张图片

 然后运行jmap -histo命令来查看我们的线程

java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第10张图片

   我们可以看到,car对象并没有产生50万个,别说会被GC掉对象,在运行之前我已经加了GC日志的参数-XX:+PrintGCDetails,控制台没有打印任何GC日志的。那么为什么会这样呢?我们来看一下我们的代码,由createCar代码创建了car对象,但car对象并没有被其它的方法或者线程去调用,虚拟机会认为你这对象可能只是一个实例化,并没有进行使用,这时虚拟机会给予你一个优化,就是对于可能没有使用的对象进行一次逃逸,也就是我们说到的逃逸分析。我们加入 -XX:­DoEscapeAnalysis参数再看一次。

java架构之路(多线程)synchronized详解以及锁的膨胀升级过程_第11张图片

   这也就是关闭了我们的逃逸分析,虚拟机就会真的为我们创建了50万个对象。也就是说开启了逃逸分析有一部分对象只是创建了线程栈上,当线程栈结束,对象也被销毁,上面的问题也就有答案了,实例对象可能存在堆上,也可能存在栈上。

你可能感兴趣的