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synchronized进阶原理

news 2026/2/8 11:55:46

synchronized进阶原理

1.轻量级锁

轻量级锁的使用场景:如果一个对象虽然有多个线程访问,但多线程访问的时间是错开的(也就是没有竞争),那么可以使用轻量级锁来优化(如果出现竞争,操作系统会将轻量级锁升级为重量级锁)。轻量级锁对使用者是透明的(由操作系统控制),即语法仍是synchronized。

假设有两个方法同步块,利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object();
public static void method1(){synchronized(obj){//同步块Amethod2();}
}
public static void method2(){synchronized(obj){//同步块B}
}

创建锁记录(Lock Record)对象,每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构,内部可以存储锁定对象的Mark Word

在这里插入图片描述

让锁记录中Object reference 指向锁对象,并尝试用cas替换Object的Mark Word,将Mark Word的值存入锁记录(01代表未上锁,00代表上轻量级锁)

在这里插入图片描述

如果cas替换成功,对象头中存储了锁记录地址和状态00,表示由该线程给对象加锁

在这里插入图片描述

如果cas失败,有两种情况

· 如果其它线程已经持有了该Object的轻量级锁,这时表明有竞争,进入锁膨胀过程

· 如果是自己执行了synchronized锁重入(自己又对synchronized加锁了),那么再添加一条Lock Record作为重入的计数

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当退出synchronized代码块(解锁时)如果有取值为null的锁记录,表示有重入,这时重置锁记录,表示重入计数减一

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当退出synchronized代码块(解锁时)锁记录的值不为null,这时使用cas将Mark Word的值恢复给对象头

· 成功,则解锁成功

· 失败,说明轻量级锁进行了膨胀或已经升级为重量级锁,进入重量级锁解锁流程

2.锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中,CAS操作无法成功,这时一种情况就是有其他线程为此对象加上了轻量级锁(有竞争),这时需要进行锁膨胀,将轻量级锁变为重量级锁。

static Object obj = new Object();
public static void method1(){synchronized(obj){//同步块}
}

当Thread-1进行轻量级锁时,Thread-0已经对该对象加了轻量级锁

在这里插入图片描述

这时Thread-1加轻量级锁失败,进入锁膨胀流程

· 即为Object对象申请Monitor锁,让Object指向重量级锁地址

· 然后自己进入Monitor的EntryList中 BLOCKED

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当Thread-0退出同步代码块解锁时,使用cas将Mark Word的值恢复给对象头,失败。这时会进入重量级解锁流程,即按照Monitor地址找到Monitor对象,设置Owner为null,唤醒EntryList中BLOCKED线程,从它们中竞争出下一个与Owner关联的线程

3.自旋优化

重量级锁竞争的时候,还可以使用自旋锁来进行优化,如果当前线程自旋锁成功(即这时候持锁线程已经退出了同步块,释放了锁),这时当前线程就可以避免阻塞。

自选重试成功的情况

在这里插入图片描述

自旋重试失败的情况

在这里插入图片描述

在java6之后自旋锁是自适应的,比如对象刚刚的一次自旋操作成功过,那么认为这次自旋成功的可能性会高,就多自旋几次;反之,就少自旋甚至不自旋。自旋会占用CPU时间,单核CPU自旋就是浪费,多核CPU自旋才能发挥优势。java7之后不能控制是否开启自旋功能。

4.偏向锁

轻量级锁在没有竞争时(就自己这个线程),每次重入仍需要执行CAS操作。java6中引入了偏向锁来做进一步优化:只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头,之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争,不用重新CAS。以后只要不发生竞争,这个对象就归该线程所有。

static final Object obj = new Object();
public static void m1(){synchronized(obj){//同步块Am2();}
}
public static void m2(){synchronized(obj){//同步块Bm3();}
}
public static void m3(){synchronized(obj){//同步块C}
}

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偏向状态

对象头:

在这里插入图片描述

biased_lock 用于记录是否启动偏向锁(0为未启动)

thread 是线程id(操作系统给的,和java中自己设置的不同)

一个对象创建时:

· 如果启动了偏向锁(默认开启),那么对象创建后,markword值为0x05即最后3位为101,这时它的thread、epoch、age都是0

· 偏向锁默认是延迟的,不会在程序启动时立即生效,如果想避免延迟,可以加VM参数 - XX:BiasedLockingStartupDelay=0来禁止延迟

· 如果没有开启偏向锁,那么对象创建后,markword值为0x01即最后3位为001,这时它的hashcode、age都为0,第一次用到hashcode时才会赋值

测试禁用:在上面测试代码运行时在添加VM参数 -XX: -UseBiasedLocking 禁用偏向锁

测试hashCode:当对用对象的hashCode()时,偏向锁会被撤销,对象就会变成普通状态(当轻量级锁对象调用hashCode()时,hashCode会记录在栈帧中的锁记录里,当重量级锁调用hashCode()时,hashCode会存在monitor对象里)

撤销偏向锁-其它线程使用对象

当有其他线程使用偏向锁对象时,会将偏向锁升级为轻量级锁。

撤销偏向锁-使用wait/notify

批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问,但没有竞争,这时偏向了线程T1的对象仍有机会重新偏向T2,重偏向会重置对象的Thread ID

当撤销偏向锁阈值超过20次后,JVM会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程。

批量撤销

当撤销偏向锁阈值超过40次后,JVM会觉得不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的,新建的对象也是不可偏向的。

锁撤销

java有即时编译器(JIT),会对代码进行优化,将一些无用的锁优化掉了