随笔博文

synchronized实现原理

2022-12-13 12:29:50 michael007js 47

synchronized作为java语言中的并发关键词,其在代码中出现的频率相当高频,大多数开发者在涉及到并发场景时,一般都会下意识得选取synchronized。

synchronized在代码中主要有三类用法,根据其用法不同,所获取的锁对象也不同,如下所示:

  • 修饰代码块:这种用法通常叫做同步代码块,获取的锁对象是在synchronized中显式指定的

  • 修饰实例方法:这种用法通常叫做同步方法,获取的锁对象是当前的类对象

  • 修饰静态方法:这种用法通常叫做静态同步方法,获取的锁对象是当前类的类对象

下面我们一起来测试下三种方式下,对象锁的归属及锁升级过程,SynchronizedTestClass类代码如下:

 import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class SynchronizedTestClass {
    private Object mLock = new Object();
    public void testSynchronizedBlock(){
        System.out.println("before get Lock in thread:"+Thread.currentThread().getName()+">>>"+ ClassLayout.parseInstance(mLock).toPrintable());
        synchronized (mLock) {
            System.out.println("testSynchronizedBlock start:"+Thread.currentThread().getName());
            System.out.println("after get Lock in thread:"+Thread.currentThread().getName()+">>>"+ ClassLayout.parseInstance(mLock).toPrintable());
            try {
                Thread.sleep(10000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            System.out.println("testSynchronizedBlock end:"+Thread.currentThread().getName());
        }
    }

    public synchronized void testSynchronizedMethod() {
        System.out.println("after get Lock in thread:"+Thread.currentThread().getName()+">>>"+ ClassLayout.parseInstance(this).toPrintable());
        System.out.println("testSynchronizedMethod start:"+Thread.currentThread().getName());
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println("testSynchronizedMethod end:"+Thread.currentThread().getName());
    }

    public static synchronized void testSynchronizedStaticMethod() {
        System.out.println("after get Lock in thread:"+Thread.currentThread().getName()+">>>"+ ClassLayout.parseInstance(SynchronizedTestClass.class).toPrintable());
        System.out.println("testSynchronizedStaticMethod start:"+Thread.currentThread().getName());
        try {
            Thread.sleep(10000);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
        System.out.println("testSynchronizedStaticMethod end:"+Thread.currentThread().getName());
    }
}

同步代码块

在main函数编写如下代码,调用SynchronizedTestClass类中包含同步代码块的测试方法,如下所示:

 public static void main(String[] args) {
    SynchronizedTestClass synchronizedTestClass = new SynchronizedTestClass();
    ExecutorService testSynchronizedBlock = Executors.newCachedThreadPool();
    testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronizedTestClass.testSynchronizedBlock();
        }
    });
    testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronizedTestClass.testSynchronizedBlock();
        }
    });
}

运行结果如下:

1-4-10-1

从上图可以看出在线程2获取锁前,mLock处于无锁状态,等线程2获取锁后,mLock对象升级为轻量级锁,等线程1获取锁后升级为重量级锁,有同学要问了,你在多线程与锁中不是说了synchronized锁升级有四个吗?你是不是写BUG了,当然没有啊,现在我们来看看偏向锁去哪儿了?

偏向锁

对于不同版本的JDK而言,其针对偏向锁的开关和配置均有所不同,我们可以通过执行java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep BiasedLocking来获取偏向锁相关配置,执行命令输出如下:

1-4-10-2

从上图可以看出在JDK 1.8上,偏向锁默认开启,具有4秒延时,那么我们修改main内容,延时5秒开始执行,看看现象如何,代码如下:

 public static void main(String[] args) {
    try {
        Thread.sleep(5000);
    } catch (InterruptedException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
    SynchronizedTestClass synchronizedTestClass = new SynchronizedTestClass();

    ExecutorService testSynchronizedBlock = Executors.newCachedThreadPool();
    testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronizedTestClass.testSynchronizedBlock();
        }
    });

    testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronizedTestClass.testSynchronizedBlock();
        }
    });
}

输出如下:

1-4-10-3

从上图可以看出在延迟5s执行后,mLock锁变成了无锁可偏向状态,结合上面两个示例,我们可以看出,在轻量级锁和偏向锁阶段均有可能直接升级成重量级锁,是否升级依赖于当时的锁竞争关系,据此我们可以得到synchronized锁升级的常见过程,如下图所示:

synchronized

可以看出,我们遇到的两种情况分别对应升级路线1和升级路线4。

同步方法

使用线程池调用SynchronizedTestClass类中的同步方法,代码如下:

 public static void main(String[] args) {
    SynchronizedTestClass synchronizedTestClass = new SynchronizedTestClass();

    ExecutorService testSynchronizedBlock = Executors.newCachedThreadPool();
    testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronizedTestClass.testSynchronizedMethod();
        }
    });

    testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronizedTestClass.testSynchronizedMethod();
        }
    });
}

运行结果如下:

1-4-10-4

可以看出,在调用同步方法时,直接升级为重量级锁,同一时刻,有且仅有一个线程在同步方法中执行,其他函数在同步方法入口处阻塞等待。

静态同步方法

使用线程池调用SynchronizedTestClass类中的静态同步方法,代码如下

     public static void main(String[] args) {
        ExecutorService testSynchronizedBlock = Executors.newCachedThreadPool();
        testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                SynchronizedTestClass.testSynchronizedStaticMethod();
            }
        });
        testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                SynchronizedTestClass.testSynchronizedStaticMethod();
            }
        });
    }

运行结果如下:

1-4-10-5

可以看出,在调用静态同步方法时,直接升级为重量级锁,同一时刻,有且仅有一个线程在静态同步方法中执行,其他函数在同步方法入口处阻塞等待。

前面我们看的是多个线程竞争同一个锁对象,那么假设我们有三个线程分别执行这三个函数,又会怎样呢?代码如下:

 public static void main(String[] args) {
    SynchronizedTestClass synchronizedTestClass = new SynchronizedTestClass();

    ExecutorService testSynchronizedBlock = Executors.newCachedThreadPool();
    testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            SynchronizedTestClass.testSynchronizedStaticMethod();
        }
    });
    testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronizedTestClass.testSynchronizedMethod();
        }
    });
    testSynchronizedBlock.execute(new Runnable() {
        @Override
        public void run() {
            synchronizedTestClass.testSynchronizedBlock();
        }
    });
}

运行结果:

1-4-10-10

可以看到,3个线程各自运行,互不影响,这也进一步印证了前文所说的锁对象以及MarkWord中标记锁状态的概念。

synchronized实现原理

上面已经学习了synchronized的常见用法,关联的锁对象以及锁升级的过程,接下来我们来看下synchronized实现原理,仍然以上面的SynchronizedTestClass为例,查看其生成的字节码来了解synchronized关键字的实现。

同步代码块

testSynchronizedBlock其所对应的字节码如下图所示:

1-4-10-6

从上图代码和字节码对应关系可以看出,在同步代码块中获取锁时使用monitorenter指令,释放锁时使用monitorexit指令,且会有两个monitorexit,确保在当前线程异常时,锁正常释放,避免其他线程等待死锁。

所以synchronized的同步机制是依赖monitorenter和monitorexit指令实现的,而这两个指令操作的就是mLock对象的monitor锁,monitorenter尝试获取mLock的monitor锁,如果获取成功,则monitor中的计数器+1,同时记录相关线程信息,如果获取失败,则当前线程阻塞。

Monitor锁就是存储在MarkWord中的指向重量级锁的指针所指向的对象,每个对象在构造时都会创建一个Monitor锁,用于监视当前对象的锁状态以及持锁线程信息,

同步方法

testSynchronizedMethod其所对应的字节码如下图所示:

1-4-10-7

可以看到同步方法依赖在函数声明时添加ACC_SYNCHRONIZED标记实现,在函数被ACC_SYNCHRONIZED修饰时,调用该函数会申请对象的Monitor锁,申请成功则进入函数,申请失败则阻塞当前线程。

静态同步方法

testSynchronizedStaticMethod其所对应的字节码如下图所示:

1-4-10-8

和同步方法相同,同步静态方法也是在函数声明部分添加了ACC_SYNCHRONIZED标记,也同步方法不同的是,此时申请的是该类的类对象的Monitor锁。


扩展

上文中针对synchronized的java使用以及字节码做了说明,我们可以看出synchronized是依赖显式的monitorenter,monitorexit指令和ACC_SYNCHRONIZED实现,但是字节码并不是最靠近机器的一层,相对字节码,汇编又是怎么处理synchronized相关的字节码指令的呢?

我们可以通过获取java代码的汇编代码来查看,查看Java类的汇编代码需要依赖hsdis工具,该工具可以从chriswhocodes.com/hsdis/下载(科学上网),下载完成后,在Intellij Idea中配置Main类的编译参数如下图所示:

1-4-10-11

其中vm options详细参数如下:

-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -Xcomp -XX:CompileCommand=compileonly,*SynchronizedTestClass.testSynchronizedBlock -XX:CompileCommand=compileonly,*SynchronizedTestClass.testSynchronizedMethod -XX:+LogCompilation -XX:LogFile=/Volumes/Storage/hotspot.log

其中“compileOnly,”后面跟的是你要抓取的函数名称,格式为:*类名.函数名,LogFile=后指向的是存储汇编代码的文件。

环境变量配置如下:

LIBRARY_PATH=/Volumes/Storage/hsdis

这里的写法是:hsdis存储路径+/hsdis

随后再次运行Main.main即可看到相关汇编代码输出在运行窗口,通过分析运行窗口输出的内容,我们可以看到如下截图:

1-4-10-9

可以看出在运行时调用SynchronizedTestClass::testSynchronizedMethod时,进入synchronized需要执行lock cmpxchg以确保多线程安全,故synchronized的汇编实现为lock cmpxchg指令。


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