关于 Synchronized 锁升级,你该了解这些

发布于: 2020 年 06 月 05 日

前言

毫无疑问,synchronized是我们用过的第一个并发关键字,很多博文都在讲解这个技术。不过大多数讲解还停留在对synchronized的使用层面,其底层的很多原理和优化,很多人可能并不知晓。因此本文将通过对synchronized的大量C源码分析,让大家对他的了解更加透彻点。

本篇将从为什么要引入synchronized,常见的使用方式,存在的问题以及优化部分这四个方面描述,话不多说,开始表演。





可见性问题及解决

概念描述

指一个线程对共享变量进行修改,另一个能立刻获取到修改后的最新值。

代码展示

类:

public class Example1 {
//1.创建共享变量
private static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws Exception {
//2.t1空循环,如果flag为true,不退出
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
if(!flag){
System.out.println("进入if");
break;
}
}
}
});
t1.start();

Thread.sleep(2000L);
//2.t2修改flag为false
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
flag = false;
System.out.println("修改了");
}
});

t2.start();
}
}

运行结果:



分析

这边先要了解下Java的内存模式,不明白的可点击传送门,todo。

下图线程t1,t2从主内存分别获取flag=true,t1空循环,直到flag为false的时候退出循环。t2拿到flag的值,将其改为false,并写入到主内存。此时主内存和线程t2的工作内存中flag均为false,但是线程t1工作内存中的flag还是true,所以一直退不了循环,程序将一直执行。





synchronized如何解决可见性

首先我们尝试在t1线程中加一行打印语句,看看效果。

代码:

public class Example1 {
//1.创建共享变量
private static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws Exception {
//2.t1空循环,如果flag为true,不退出
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (true) {
//新增的打印语句
System.out.println(flag);
if(!flag){
System.out.println("进入if");
break;
}
}
}
});
t1.start();

Thread.sleep(2000L);
//2.t2修改flag为false
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
flag = false;
System.out.println("修改了");
}
});

t2.start();
}
}

运行结果:





我们发现if里面的语句已经打印出来了,线程1已经感知到线程2对flag的修改,即这条打印语句已经影响了可见性。这是为啥?





答案就是println中,我们看下源码:





println有个上锁的过程,即操作如下:

1.获取同步锁。

2.清空自己工作内存上的变量。

3.从主内存获取最新值,并加载到工作内存中。

4.打印并输出。

所以这里解释了为什么线程t1加了打印语句之后,t1立刻能感知t2对flag的修改。因为每次打印的时候其都从主内存上获取了最新值,当t2修改的时候,t1立刻从主内存获取了值,所以进入了if语句,并最终能跳出循环。

synchronized的原理就是清空自己工作内存上的值,通过将主内存最新值刷新到工作内存中,让各个线程能互相感知修改。

原子性问题及解决 

概念描述

在一次或多个操作中,要不所有操作都执行,要不所有操作都不执行。

代码展示

类:

public class Example2 {
//1.定义全局变量number
private static int number = 0;

public static void main(String[] args) throws Exception {
Runnable runnable = () -> {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
number++;
}
};
//2.t1让其自增10000
Thread t1 = new Thread(runnable);
t1.start();

//3.t2让其自增10000
Thread t2 = new Thread(runnable);
t2.start();

//4.等待t1,t2运行结束
t1.join();
t2.join();
System.out.println("number=" + number);
}
}

运行结果:





分析

每个线程执行的逻辑是循环1万次,每次加1,那我们希望的结果是2万,但是实际上结果是不足2万的。我们先用javap命令反汇编,我们看到很多代码,但是number++涉及的指令有四句,具体看第二张图。







如果有多条线程执行这段number++代码,当前number为0,线程1先执行到iconst_1指令,即将执行iadd操作,而线程2执行到getstatic指令,这个时候number值还没有改变,所以线程2获取到的静态字段是0,线程1执行完iadd操作,number变为1,线程2执行完iadd操作,number还是1。这个时候就发现问题了,做了两次number++操作,但是number只增加了1。

并发编程时,会出现原子性问题,当一个线程对共享变量操作到一半的时候,另外一个线程也有可能来操作共享变量,这个时候就出现了问题。

synchronized如何解决原子性问题

在上面的分析中,我们已经知道发生问题的原因,number++是由四条指令组成,没有保证原子操作。所以,我们只要将number++作为一个整体就行,即保证他的原子性。具体代码如下:

public class Example2 {
//1.定义全局变量number
private static int number = 0;
//新增一个静态变量object
private static Object object = new Object();

public static void main(String[] args) throws Exception {
Runnable runnable = () -> {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
//将number++的操作用object对象锁住
synchronized (object) {
number++;
}
}
};
//2.t1让其自增10000
Thread t1 = new Thread(runnable);
t1.start();

//3.t2让其自增10000
Thread t2 = new Thread(runnable);
t2.start();

//4.等待t1,t2运行结束
t1.join();
t2.join();
System.out.println("number=" + number);
}
}





我们看到最终number为20000,那为什么要加上synchronized,结果就正确了?我们再反编译下Example2,可以看到在四行指令前后分别有monitorenter和monitorexist,线程1在执行中间指令时,其他线程不可以进入monitorenter,需要等线程1执行完monitorexist,其他进程才能继续monitorenter,进行自增操作。





有序性问题及解决

概念描述

代码中程序执行的顺序,Java在编译和运行时会对代码进行优化,这样会导致我们最终的执行顺序并不是我们编写代码的书写顺序。

代码展示

咱先来看一个概念,重排序,也就是语句的执行顺序会被重新安排。其主要分为三种:

1.编译器优化的重排序:可以重新安排语句的执行顺序。

2.指令级并行的重排序:现代处理器采用指令级并行技术,将多条指令重叠执行。

3.内存系统的重排序:由于处理器使用缓存和读写缓冲区,所以看上去可能是乱序的。

上面代码中的a = new A();可能被被JVM分解成如下代码:

// 可以分解为以下三个步骤
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址复制代码



// 上述三个步骤可能会被重排序为 1-3-2,也就是:
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象 复制代码

一旦假设发生了这样的重排序,比如线程A在执行了步骤1和步骤3,但是步骤2还没有执行完。这个时候线程B进入了第一个语句,它会判断a不为空,即直接返回了a。其实这是一个未初始化完成的a,即会出现问题。

synchronized如何解决有序性问题

给上面的三个步骤加上一个synchronized关键字,即使发生重排序也不会出现问题。线程A在执行步骤1和步骤3时,线程B因为没法获取到锁,所以也不能进入第一个语句。只有线程A都执行完,释放锁,线程B才能重新获取锁,再执行相关操作。

synchronized的常见使用方式

修饰代码块(同步代码块)

synchronized (object) {
//具体代码
}

修饰方法

synchronized void test(){
//具体代码
}

synchronized不能继承?(插曲)

父类A:

public class A {
synchronized void test() throws Exception {
try {
System.out.println("main 下一步 sleep begin threadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(5000);
System.out.println("main 下一步 sleep end threadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

子类B:(未重写test方法)

public class B extends A {

}

子类C:(重写test方法)



public class C extends A {

@Override
void test() throws Exception{
try {
System.out.println("sub 下一步 sleep begin threadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(5000);
System.out.println("sub 下一步 sleep end threadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

线程A:

public class ThreadA extends Thread {
private A a;

public void setter (A a) {
this.a = a;
}

@Override
public void run() {
try{
a.test();
}catch (Exception e){

}
}
}

线程B:

public class ThreadB extends Thread {
private B b;
public void setB(B b){
this.b=b;
}

@Override
public void run() {
try{
b.test();
}catch (Exception e){

}
}
}

线程C:

public class ThreadC extends Thread{
private C c;
public void setC(C c){
this.c=c;
}

@Override
public void run() {
try{
c.test();
}catch (Exception e){

}
}
}

测试类test:

public class test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
A a = new A();
ThreadA A1 = new ThreadA();
A1.setter(a);
A1.setName("A1");
A1.start();
ThreadA A2 = new ThreadA();
A2.setter(a);
A2.setName("A2");
A2.start();
A1.join();
A2.join();

System.out.println("=============");
B b = new B();
ThreadB B1 = new ThreadB();
B1.setB(b);
B1.setName("B1");
B1.start();
ThreadB B2 = new ThreadB();
B2.setB(b);
B2.setName("B2");
B2.start();
B1.join();
B2.join();
System.out.println("=============");

C c = new C();
ThreadC C1 = new ThreadC();
C1.setName("C1");
C1.setC(c);
C1.start();
ThreadC C2 = new ThreadC();
C2.setName("C2");
C2.setC(c);
C2.start();
C1.join();
C2.join();
}
}

运行结果:





子类B继承了父类A,但是没有重写test方法,ThreadB仍然是同步的。子类C继承了父类A,也重写了test方法,但是未明确写上synchronized,所以这个方法并不是同步方法。只有显式的写上synchronized关键字,才是同步方法。

所以synchronized不能继承这句话有歧义,我们只要记住子类如果想要重写父类的同步方法,synchronized关键字一定要显示写出,否则无效。

修饰静态方法

synchronized static void test(){
//具体代码
}

修饰类

synchronized (Example2.class) {
//具体代码
}

Java对象 Mark Word

在JVM中,对象在内存中的布局分为三块区域:对象头,实例数据和对齐数据,如下图:





其中Mark Word值在不同锁状态下的展示如下:(重点看线程id,是否为偏向锁,锁标志位信息)





在64位系统中,Mark Word占了8个字节,类型指针占了8个字节,一共是16个字节。Talk is cheap. Show me the code. 咱来看代码。

  •  我们想要看Java对象的Mark Word,先要加载一个jar包,在pom.xml添加即可。

<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.9</version>
</dependency>
  • 新建一个对象A,拥有初始值为666的变量x。



public class A {
private int x=666;
}
  • 新建一个测试类test,这涉及到刚才加载的jar,我们打印Java对象。

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class test {
public static void main(String[] args) {
A a=new A();
System.out.println( ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}
}
  • 我们发现对象头(object header)占了12个字节,为啥和上面说的16个字节不一样。





  • 其实上是默认开启了指针压缩,我们需要关闭指针压缩,也就是添加-XX:-UseCompressedOops配置。

  • 再次执行,发现对象头为16个字节。





偏向锁

什么是偏向锁

JDK1.6之前锁为重量级锁(待会说,只要知道他和内核交互,消耗资源),1.6之后Java设计人员发现很多情况下并不存在多个线程竞争的关系,所以为了资源问题引入了无锁偏向锁轻量级锁重量级锁的概念。先说偏向锁,他是偏心,偏袒的意思,这个锁会偏向于第一个获取他的线程。

偏向锁演示

  • 创建并启动一个线程,run方法里面用了synchronized关键字,功能是打印this的Java对象。

public class test {
public static void main(String[] args) {
Thread thread=new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (this){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(this).toPrintable());
}
}
});
thread.start();
}
}

标红的地方为000,根据之前Mark Word在不同状态下的标志,得此为无锁状态。理论上一个线程使用synchronized关键字,应为偏向锁。





  • 实际上偏向锁在JDK1.6之后是默认开启的,但是启动时间有延迟,所以需要添加参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0,让其在程序启动时立刻启动。





  • 重新运行下代码,发现标红地方101,对比Mark Word在不同状态下的标志,得此状态为偏向锁。





偏向锁原理图解

  • 在线程的run方法中,刚执行到synchronized,会判断当前对象是否为偏向锁和锁标志,没有任何线程执行该对象,我们可以看到是否为偏向锁为0,锁标志位01,即无锁状态。





  • 线程会将自己的id赋值给markword,即将原来的hashcode值改为线程id,是否是偏向锁改为1,表示线程拥有对象锁,可以执行下面的业务逻辑。如果synchronized执行完,对象还是偏向锁状态;如果线程结束之后,会撤销偏向锁,将该对象还原成无锁状态。





  • 如果同一个线程中又对该对象进行加锁操作,我们只要对比对象的线程id是否与线程id相同,如果相同即为线程锁重入问题。

优势

加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法相比只有纳秒级的差距。

白话翻译

线程1锁定对象this,他发现对象为无锁状态,所以将线程id赋值给对象的Mark Word字段,表示对象为线程1专用,即使他退出了同步代码,其他线程也不能使用该对象。

同学A去自习教室C,他发现教室无人,所以在门口写了个名字,表示当前教室有人在使用,这样即使他出去吃了饭,其他同学也不能使用这个房间。

轻量锁

什么是轻量级锁

在多线程交替同步代码块的情况下,线程间没有竞争,使用轻量级锁可以避免重量级锁引入的性能消耗。

轻量级图解

  • 在刚才偏向锁的基础上,如果有另外一个线程也想错峰使用该资源,通过对比线程id是否相同,Java内存会立刻撤销偏向锁(需要等待全局安全点),进行锁升级的操作。





  • 撤销完轻量级锁,会在线程1的方法栈中新增一个锁记录,对象的Mark Word与锁记录交换。





优势

线程不竞争的时候,避免直接使用重量级锁,提高了程序的响应速度。

白话翻译

在刚才偏向锁的基础上,另外一个线程也想要获取资源,所以线程1需要撤销偏向锁,升级为轻量锁。

同学A在使用自习教室外面写了自己的名字,所以同学B来也想要使用自习教室,他需要提醒同学A,不能使用偏向锁,同学A将自习教室门口的名字擦掉,换成了一个书包,里面是自己的书籍。这样在同学A不使用自习教室的时候,同学B也能使用自习教室,只需要将自己的书包也挂在外面即可。这样下次来使用的同学就能知道已经有人占用了该教室。

重量级锁

什么是重量级锁

当多线程之间发生竞争,Java内存会申请一个Monitor对象来实现。

重量级锁原理图解

在刚才的轻量级锁的基础上,线程2也想要申请资源,发现锁的标志位为00,即为轻量级锁,所以向内存申请一个Monitor,让对象的MarkWord指向Monitor地址,并将ower指针指向线程1的地址,线程2放在等待队列里面,等线程1指向完毕,释放锁资源。





Monitor源码分析

环境搭建

我们去官网http://openjdk.java.net/找下open源码,也可以通过其他途径下载。源码是C实现的,可以通过DEV C++工具打开,效果如下图:





构造函数

我们先看下\hotspot\src\share\vm\runtime\ObjectMonitor.hpp,以.hpp结尾的文件是导入的一些包和一些声明,之后可以被.cpp文件导入。



ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0;
_waiters = 0,
_recursions = 0;//线程重入次数
_object = NULL;//存储该monitor的对象
_owner = NULL;//标识拥有该monitor的线程
_WaitSet = NULL;//处于wait状态的线程,会加入到_waitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;//多线程竞争锁时的单项列表
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ;//处于等待锁lock状态的线程,会被加入到该列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
_previous_owner_tid = 0;
}

锁竞争的过程

我们先看下\hotspot\src\share\vm\interpreter\interpreterRuntime.cppIRT_ENTRY_NO_ASYNC即为锁竞争过程。



//%note monitor_1
IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))
#ifdef ASSERT
thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
if (PrintBiasedLockingStatistics) {
Atomic::inc(BiasedLocking::slow_path_entry_count_addr());
}
Handle h_obj(thread, elem->obj());
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()),
"must be NULL or an object");
//是否使用偏向锁,可加参数进行设置 if (UseBiasedLocking) { //如果可以使用偏向锁,即进入fast_enter
// Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
} else {//如果不可以使用偏向锁,即进行slow_enter
ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);
}
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(elem->obj()),
"must be NULL or an object");
#ifdef ASSERT
thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
IRT_END

slow_enter实际上调用的ObjectMonitor.cpp的enter 方法



void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
// The following code is ordered to check the most common cases first
// and to reduce RTS->RTO cache line upgrades on SPARC and IA32 processors.
Thread * const Self = THREAD ;
void * cur ;

//通过CAS操作尝试将monitor的_owner设置为当前线程
cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
//如果设置不成功,直接返回
if (cur == NULL) {
// Either ASSERT _recursions == 0 or explicitly set _recursions = 0.
assert (_recursions == 0 , "invariant") ;
assert (_owner == Self, "invariant") ;
// CONSIDER: set or assert OwnerIsThread == 1
return ;
}
//如果_owner等于当前线程,重入数_recursions加1,直接返回
if (cur == Self) {
// TODO-FIXME: check for integer overflow! BUGID 6557169.
_recursions ++ ;
return ;
}

//如果当前线程第一次进入该monitor,设置重入数_recursions为1,_owner为当前线程,返回
if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) {
assert (_recursions == 0, "internal state error");
_recursions = 1 ;
// Commute owner from a thread-specific on-stack BasicLockObject address to
// a full-fledged "Thread *".
_owner = Self ;
OwnerIsThread = 1 ;
return ;
}

//如果未抢到锁,则进行自旋优化,如果还未获取锁,则放入到list里面
// We've encountered genuine contention.
assert (Self->_Stalled == 0, "invariant") ;
Self->_Stalled = intptr_t(this) ;

// Try one round of spinning *before* enqueueing Self
// and before going through the awkward and expensive state
// transitions. The following spin is strictly optional ...
// Note that if we acquire the monitor from an initial spin
// we forgo posting JVMTI events and firing DTRACE probes.
if (Knob_SpinEarly && TrySpin (Self) > 0) {
assert (_owner == Self , "invariant") ;
assert (_recursions == 0 , "invariant") ;
assert (((oop)(object()))->mark() == markOopDesc::encode(this), "invariant") ;
Self->_Stalled = 0 ;
return ;
}

assert (_owner != Self , "invariant") ;
assert (_succ != Self , "invariant") ;
assert (Self->is_Java_thread() , "invariant") ;
JavaThread * jt = (JavaThread *) Self ;
assert (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint(), "invariant") ;
assert (jt->thread_state() != _thread_blocked , "invariant") ;
assert (this->object() != NULL , "invariant") ;
assert (_count >= 0, "invariant") ;

// Prevent deflation at STW-time. See deflate_idle_monitors() and is_busy().
// Ensure the object-monitor relationship remains stable while there's contention.
Atomic::inc_ptr(&_count);

EventJavaMonitorEnter event;

{ // Change java thread status to indicate blocked on monitor enter.
JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this);

DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__enter, this, object(), jt);
if (JvmtiExport::should_post_monitor_contended_enter()) {
JvmtiExport::post_monitor_contended_enter(jt, this);
}

OSThreadContendState osts(Self->osthread());
ThreadBlockInVM tbivm(jt);

Self->set_current_pending_monitor(this);

// TODO-FIXME: change the following for(;;) loop to straight-line code.
for (;;) {
jt->set_suspend_equivalent();
// cleared by handle_special_suspend_equivalent_condition()
// or java_suspend_self()

EnterI (THREAD) ;

if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;

//
// We have acquired the contended monitor, but while we were
// waiting another thread suspended us. We don't want to enter
// the monitor while suspended because that would surprise the
// thread that suspended us.
//
_recursions = 0 ;
_succ = NULL ;
exit (false, Self) ;

jt->java_suspend_self();
}
Self->set_current_pending_monitor(NULL);
}

Atomic::dec_ptr(&_count);
assert (_count >= 0, "invariant") ;
Self->_Stalled = 0 ;

// Must either set _recursions = 0 or ASSERT _recursions == 0.
assert (_recursions == 0 , "invariant") ;
assert (_owner == Self , "invariant") ;
assert (_succ != Self , "invariant") ;
assert (((oop)(object()))->mark() == markOopDesc::encode(this), "invariant") ;

// The thread -- now the owner -- is back in vm mode.
// Report the glorious news via TI,DTrace and jvmstat.
// The probe effect is non-trivial. All the reportage occurs
// while we hold the monitor, increasing the length of the critical
// section. Amdahl's parallel speedup law comes vividly into play.
//
// Another option might be to aggregate the events (thread local or
// per-monitor aggregation) and defer reporting until a more opportune
// time -- such as next time some thread encounters contention but has
// yet to acquire the lock. While spinning that thread could
// spinning we could increment JVMStat counters, etc.

DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__entered, this, object(), jt);
if (JvmtiExport::should_post_monitor_contended_entered()) {
JvmtiExport::post_monitor_contended_entered(jt, this);
}

if (event.should_commit()) {
event.set_klass(((oop)this->object())->klass());
event.set_previousOwner((TYPE_JAVALANGTHREAD)_previous_owner_tid);
event.set_address((TYPE_ADDRESS)(uintptr_t)(this->object_addr()));
event.commit();
}

if (ObjectMonitor::_sync_ContendedLockAttempts != NULL) {
ObjectMonitor::_sync_ContendedLockAttempts->inc() ;
}
}

白话翻译

同学A在使用自习教室的时候,同学B在同一时刻也想使用自习教室,那就发生了竞争关系。所以同学B在A运行过程中,加入等待队列。如果此时同学C也要使用该教室,也会加入等待队列。等同学A使用结束,同学B和C将竞争自习教室。

自旋优化

自旋优化比较简单,如果将其他线程加入等待队列,那之后唤醒并运行线程需要消耗资源,所以设计人员让其空转一会,看看线程能不能一会结束了,这样就不要在加入等待队列。

白话来说,如果同学A在使用自习教室,同学B可以回宿舍,等A使用结束再来,但是B回宿舍再来的过程需要1个小时,而A只要10分钟就结束了。所以B可以先不回宿舍,而是在门口等个10分钟,以防止来回时间的浪费。

结语

唉呀妈呀,终于结束了,累死了。终于将synchronized写完了,如果有不正确的地方,还需要各位指正。如果觉得写得还行,麻烦帮我点赞,评论哈。

参考资料

Java中System.out.println()为何会影响内存可见性



别再问什么是Java内存模型了,看这里!



JVM---汇编指令集



Java中Synchronized的使用



synchronized同步方法(08)同步不具有继承性



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