【Java】synchronized详解

• Z时代
• 2024-01-10
• 分类：技术分享

synchronized(obj) {
....
some code
...
}

synchronized void test() {
....
some code
...
}

synchronized static void test() {
....
some code
...
}

public void test() {
Object obj = new Object();
synchronized (obj) {
System.out.println("in locking");
}
}

 public test()V
...
MONITORENTER
L0
LINENUMBER 15 L0
GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
LDC "in locking"
INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)V
L6
LINENUMBER 16 L6
ALOAD 2
MONITOREXIT
L1
GOTO L7
L2
FRAME FULL [com/pinduoduo/service/jmm/JmmTest java/lang/Object java/lang/Object] [java/lang/Throwable]
ASTORE 3
ALOAD 2
MONITOREXIT
...
}

 <dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.9</version>
</dependency>

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;
public class MarkWordTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
try {
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
MarkWordTest object = new MarkWordTest();
String classLayout1 = ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable();
System.out.println("---------------------------加锁前---------------------------");
System.out.println(classLayout1);
System.out.println("------------------------------------------------------------");
synchronized (object) {
//打印当前jvm信息
System.out.println("---------------------------加锁中---------------------------");
String classLayout2 = ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable();
System.out.println(classLayout2);
System.out.println("------------------------------------------------------------");
}
System.out.println("---------------------------加锁后---------------------------");
String classLayout3 = ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable();
System.out.println(classLayout3);
System.out.println("------------------------------------------------------------");
}
}

---------------------------加锁前---------------------------
com.pinduoduo.service.jmm.MarkWordTest object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8     4        (object header)                           05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)
12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁中---------------------------
com.pinduoduo.service.jmm.MarkWordTest object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
0     4        (object header)                           05 38 67 03 (00000101 00111000 01100111 00000011) (57096197)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8     4        (object header)                           05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)
12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁后---------------------------
com.pinduoduo.service.jmm.MarkWordTest object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
0     4        (object header)                           05 38 67 03 (00000101 00111000 01100111 00000011) (57096197)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8     4        (object header)                           05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)
12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
------------------------------------------------------------
Process finished with exit code 0

---------------------------加锁前---------------------------
...
0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
...
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁中---------------------------
...
0     4        (object header)                           05 38 67 03 (00000101 00111000 01100111 00000011) (57096197)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
...
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁后---------------------------
...
0     4        (object header)                           05 38 67 03 (00000101 00111000 01100111 00000011) (57096197)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
...
------------------------------------------------------------

---------------------------加锁前---------------------------
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁中---------------------------
00000000 00000000 00000000 00000000 00000011 01100111 00111000 00000101
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁后---------------------------
00000000 00000000 00000000 00000000 00000011 01100111 00111000 00000101
------------------------------------------------------------

 ObjectMonitor() {
_owner        = NULL; // 锁持有者
_recursions   = 0; // 重入次数
_WaitSet      = NULL;
_cxq          = NULL ;
_EntryList    = NULL ;
}

QMode = 2且cxq非空：取cxq队列队首的ObjectWaiter对象，调用ExitEpilog方法，该方法会唤醒ObjectWaiter对象的线程，然后立即返回，后面的代码不会执行了；
QMode = 3且cxq非空：把cxq队列插入到EntryList的尾部；
QMode = 4且cxq非空：把cxq队列插入到EntryList的头部；
QMode = 0：暂时什么都不做

synchronized介绍

synchronized相信大家都比较熟悉，面试的时候也是必备问题。有很多书籍介绍它，网上也有很多很多相关的文字，我自己也看过很多。但是看了就忘，印象不深，于是我决定阅读源码来加深记忆。代码出真知，这一看不要紧，不仅让我对synchronized有了更深入的理解，我还发现，网上许多文章，甚至很多面试官的理解都是错误的。

比如，说说你对自旋锁的理解。你可以先把答案自己在心里想一下，看到下面，你可能会发现，原来你原来的理解是错误的。

synchronized使用

使用上我就不多说了，相信大家都知道，这里概括一下

synchronized(obj) {
....
some code
...
}

这种使用时对obj对象上锁。也是比较常见的使用。

synchronized void test() {
....
some code
...
}

这种事对this进行上锁

synchronized static void test() {
....
some code
...
}

这种事对Class对象上锁。

synchronized字节码表示

加入我们有一个简单的方法如下

public void test() {
Object obj = new Object();
synchronized (obj) {
System.out.println("in locking");
}
}

会编译成以下字节码

 public test()V
...
MONITORENTER
L0
LINENUMBER 15 L0
GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
LDC "in locking"
INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (Ljava/lang/String;)V
L6
LINENUMBER 16 L6
ALOAD 2
MONITOREXIT
L1
GOTO L7
L2
FRAME FULL [com/pinduoduo/service/jmm/JmmTest java/lang/Object java/lang/Object] [java/lang/Throwable]
ASTORE 3
ALOAD 2
MONITOREXIT
...
}

其他我们不要管，可以看到字节码中有一个MONITOREXIT指令和两个MONITOREXIT指令。两个MONITOREXIT是因为要异常的情况也也要进行MONITOREXIT.

synchronized的jvm表示

我们在上小节知道了synchronized块是有MONITORENTER和MONITOREXIT指令包裹着的，那这两个指令怎么执行呢？这就涉及的jvm怎么实现的了，这里我们就以hotspot为例，看看他是怎么实现的。

hotspot的这两个指令执行入口在bytecodeInterpreter.cpp中的CASE(_monitorenter)和CASE(_monitorexit)中，接着就是一堆c++代码了，这里我们不深入，不然大家肯定睡着了，有兴趣的小伙伴可以自己去看看，我其他文章也会具体分析。

synchronized原理

这一小节会简单的说一说synchronized的原理，都是根据我阅读源码的总结。

偏向锁

偏向锁适用于没有多个线程会进入的资源。这个点在说轻量级锁的时候会再次提到。

偏向锁又称无锁，因为它只改变锁对象头的markWord。

结构图如下：

偏向锁状态下，markword的锁标志位会变成01，是否偏向标志为1，此外epoch只一个标志，用于是否需要批量重定向的判断，我们先不管它。那如何证明偏向锁状态下，锁的markword会变成这个样子呢？我们的jol就登场了，跟我一起看接下来的小demo，耐心。

首先我们引入jol的依赖

 <dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.9</version>
</dependency>

代码如下

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;
public class MarkWordTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
try {
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
MarkWordTest object = new MarkWordTest();
String classLayout1 = ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable();
System.out.println("---------------------------加锁前---------------------------");
System.out.println(classLayout1);
System.out.println("------------------------------------------------------------");
synchronized (object) {
//打印当前jvm信息
System.out.println("---------------------------加锁中---------------------------");
String classLayout2 = ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable();
System.out.println(classLayout2);
System.out.println("------------------------------------------------------------");
}
System.out.println("---------------------------加锁后---------------------------");
String classLayout3 = ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable();
System.out.println(classLayout3);
System.out.println("------------------------------------------------------------");
}
}

首先注意到，代码开始有一个sleep 5秒的操作，是因为偏向锁默认有个延迟启动时间，默认为4s。

然后分别在加锁前、中、后对对象头进行打印，我们看一下打印结果

---------------------------加锁前---------------------------
com.pinduoduo.service.jmm.MarkWordTest object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8     4        (object header)                           05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)
12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁中---------------------------
com.pinduoduo.service.jmm.MarkWordTest object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
0     4        (object header)                           05 38 67 03 (00000101 00111000 01100111 00000011) (57096197)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8     4        (object header)                           05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)
12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁后---------------------------
com.pinduoduo.service.jmm.MarkWordTest object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
0     4        (object header)                           05 38 67 03 (00000101 00111000 01100111 00000011) (57096197)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8     4        (object header)                           05 c1 00 f8 (00000101 11000001 00000000 11111000) (-134168315)
12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
------------------------------------------------------------
Process finished with exit code 0

markword是64位，既上面一堆数字的前两行，我们删掉其他东西，只看markword

---------------------------加锁前---------------------------
...
0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
...
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁中---------------------------
...
0     4        (object header)                           05 38 67 03 (00000101 00111000 01100111 00000011) (57096197)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
...
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁后---------------------------
...
0     4        (object header)                           05 38 67 03 (00000101 00111000 01100111 00000011) (57096197)
4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
...
------------------------------------------------------------

是不是有点看不懂，这是因为，Hopspot是小端储存，既低位值放在高位地址上。那我们按照我们好读的宗旨把它改为大端存

---------------------------加锁前---------------------------
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁中---------------------------
00000000 00000000 00000000 00000000 00000011 01100111 00111000 00000101
------------------------------------------------------------
---------------------------加锁后---------------------------
00000000 00000000 00000000 00000000 00000011 01100111 00111000 00000101
------------------------------------------------------------

现在就是我们可以读懂的结构了。

等等，加锁前为啥锁标志位为01，偏向锁模式呢？是的，是这样的，对象头初始就是偏向锁模式，并不是很多文章都说的无锁模式，只是现在还没有指向任何线程。

加锁中我们就好理解了，锁标志位是偏向锁，并且线程id也不是0了。

加锁后可以看到，markword并没有任何改变。这样做自然有用，就是，当有其他线程来想进入临界区的时候，看到偏向线程id不是自己，直接进行锁升级（不考虑批量重偏向）。

至此我们可以得出一个结论：偏向锁只在只有一个线程会进入临界区的场景有用。

不知道你有没有注意到一个问题，就是，既然退出临界区后，markword没有任何变化，那锁重入的计数怎么实现的？这就涉及到synchronized的重入了，不管是偏向锁、轻量锁还是重量级锁，都是使用的同一套重入机制。

自旋锁的重入

在Hopspot中，每个线程都有一个锁记录表，锁记录是BasicObjectLock类型，里边有一个obj和displaced_header，obj存储锁对象，set_displaced_header锁对象的markword，每一次进入临界区，都会创建一个BasicObjectLock对象，如果是重复，那displaced_header就置为null.

轻量级锁

轻量级锁适用于线程交替进入临界区的场景，只要有锁竞争就会升级成重量级锁。注意，1.8中<font color=red>没有自旋锁</font>，别再说经过自旋后升级成重量级锁！！！

别嫌我啰嗦，再比较一下偏向锁与轻量级锁适用场景的不同。

偏向锁：只有一个线程会进入临界区

轻量级锁：不同线程交替进入临界区

偏向锁和轻量级锁都是在没有锁竞争的条件下适用的。

轻量级锁的加锁和释放都是通过cas操作对锁对象的markword就行修改而实现的，它的重入与偏向锁的机制相同，这里就不赘述了。

重量级锁

重量级锁的实现是用了监视器模式(moniter)，我猜字节码指令MONITORENTER、MONITOREXIT开始指的就是这个操作，后来经过一系列的优化，使这两个指令的字面意义跟锁的实现不太对应了。

在Hotspot中，每个对象(java对象)都会关联一个ObjectMonitor，这个就是一个监视器。

ObjectMonitor中我们重点关注以下几个字段

 ObjectMonitor() {
_owner        = NULL; // 锁持有者
_recursions   = 0; // 重入次数
_WaitSet      = NULL;
_cxq          = NULL ;
_EntryList    = NULL ;
}

_owner既为锁持有者。

_recursions表示重入次数。从这个字段就可以看出来，重量级锁的重入跟轻量级锁、偏向锁的重入不同，是用计数法来做的。

_cxq是一个队列，如果线程获取锁失败，一定是进入这个队列的。

_EntryList也是一个人队列，当ObjectMonitor持有者释放锁后，ObjectMonitor一定是从这个队列中唤醒一个线程的。

_WaitSet是调用wait操作的线程队列。

认识这几个字段后，我们会很容易理解ObjectMonitor的运作原来，并没有网上说的那么复杂，至于网上经常晒的那张流程图我就不贴了。下面我概括一下。

• 线程要进入临界区的时候，如果_owner为空，则直接用cas去修改_owner的值，成功则证明获取锁成功，否则，会准备进去队列，在进入队列前，会经过多次自旋尝试cas修改_owner，这也是为什么synchronized，是非公平锁的原因，就是他会不断的抢占式的获取锁。
• 多次尝试无果后，线程会进入_cxq队列中。注意，抢占无果的线程一定是进入_cxq队列。
• 线程在获取锁后，如果调用lock#wait方法，那这个线程会进入_WaitSet队列。

• 当获取锁的线程调notify或notifyAll时，根据不同的策略，_WaitSet会将节点插入_cxq或_EntryList中。

  0: 将头节点插入到EntryList头部
  1: 将头节点插入到EntryList尾部
  2: 将头节点插入到cxq头部，默认选项
  3: 将头节点插入到cxq尾部

当锁空闲的时候，根据不同的策略，以不同的方式将_cxq插入到_EntryList，

QMode = 2且cxq非空：取cxq队列队首的ObjectWaiter对象，调用ExitEpilog方法，该方法会唤醒ObjectWaiter对象的线程，然后立即返回，后面的代码不会执行了；
QMode = 3且cxq非空：把cxq队列插入到EntryList的尾部；
QMode = 4且cxq非空：把cxq队列插入到EntryList的头部；
QMode = 0：暂时什么都不做

• 从队列中取线程来进入临界区：
  如果EntryList的首元素非空，就取出来调用ExitEpilog方法，该方法会唤醒ObjectWaiter对象的线程，然后立即返回；
  如果EntryList的首元素为空，就将cxq的所有元素放入到EntryList中，然后再从EntryList中取出来队首元素执行ExitEpilog方法，然后立即返回；
• 如果是重入则会_recursions++

总结

• 偏向锁适用于只有一个线程会进入临界资源的情景，只要有多线程进入临界区就会导致锁升级
• 轻量级锁适合多线程交替进入临界区的情景，只要有多线程同时想进入临界区就会导致锁升级
• 偏向锁和轻量级锁的重入都是由线程中的锁记录来实现的
• 重量级锁采用Moniter实现。根据不同策略和操作，线程在 _WaitSet、 _cxq、 _EntryList 中流转，重入通过_recursions计数来实现。

以上是 【Java】synchronized详解 的全部内容， 来源链接： utcz.com/a/111172.html