Java关键字之synconized

2021-07-11 本文已影响0人小丸子的呆地

内容大部分摘自马士兵教育

JDK早期，synchronized 叫做重量级锁，因为申请锁资源必须通过kernel, 系统调用

markword

查看工具：JOL = Java Object Layout

    <dependencies>
        <!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jol/jol-core -->
        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.9</version>
        </dependency>
    </dependencies>

jdk8u: markOop.hpp

// Bit-format of an object header (most significant first, big endian layout below):
//
//  32 bits:
//  --------
//             hash:25 ------------>| age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//             JavaThread*:23 epoch:2 age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//             size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)
//             PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
//
//  64 bits:
//  --------
//  unused:25 hash:31 -->| unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//  JavaThread*:54 epoch:2 unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//  PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
//  size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)
//
//  unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4    biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
//  JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4    biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
//  narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
//  unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)

synchronized的横切面详解

synchronized原理
升级过程
汇编实现
vs reentrantLock的区别

synchronized原理

java源码层级

synchronized(o)

字节码层级

monitorenter moniterexit

JVM层级（Hotspot）

package com.mashibing.insidesync;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class T01_Sync1 {
  

    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();

        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
}

com.mashibing.insidesync.T01_Sync1$Lock 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)  49 ce 00 20 (01001001 11001110 00000000 00100000) (536923721)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

com.mashibing.insidesync.T02_Sync2$Lock object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4   (object header)  05 90 2e 1e (00000101 10010000 00101110 00011110) (506368005)
      4     4   (object header)  1b 02 00 00 (00011011 00000010 00000000 00000000) (539)
      8     4   (object header)  49 ce 00 20 (01001001 11001110 00000000 00100000) (536923721)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes tota

InterpreterRuntime:: monitorenter方法

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");
  if (UseBiasedLocking) {
    // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
    ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
  } else {
    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

synchronizer.cpp

revoke_and_rebias

void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock, bool attempt_rebias, TRAPS) {
 if (UseBiasedLocking) {
    if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
      BiasedLocking::Condition cond = BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);
      if (cond == BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {
        return;
      }
    } else {
      assert(!attempt_rebias, "can not rebias toward VM thread");
      BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
    }
    assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
 }

 slow_enter (obj, lock, THREAD) ;
}

void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
  markOop mark = obj->mark();
  assert(!mark->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here");

  if (mark->is_neutral()) {
    // Anticipate successful CAS -- the ST of the displaced mark must
    // be visible <= the ST performed by the CAS.
    lock->set_displaced_header(mark);
    if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) {
      TEVENT (slow_enter: release stacklock) ;
      return ;
    }
    // Fall through to inflate() ...
  } else
  if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
    assert(lock != mark->locker(), "must not re-lock the same lock");
    assert(lock != (BasicLock*)obj->mark(), "don't relock with same BasicLock");
    lock->set_displaced_header(NULL);
    return;
  }

#if 0
  // The following optimization isn't particularly useful.
  if (mark->has_monitor() && mark->monitor()->is_entered(THREAD)) {
    lock->set_displaced_header (NULL) ;
    return ;
  }
#endif

  // The object header will never be displaced to this lock,
  // so it does not matter what the value is, except that it
  // must be non-zero to avoid looking like a re-entrant lock,
  // and must not look locked either.
  lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
  ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);
}

inflate方法：膨胀为重量级锁

锁升级

锁升级过程

JDK8 markword实现表：

lock_step.png

markword-64.png

自旋锁什么时候升级为重量级锁？

在自旋一定次数之后，仍未拿到锁。

为什么有自旋锁还需要重量级锁？

自旋是消耗CPU资源的，如果锁的时间长，或者自旋线程多，CPU会被大量消耗

重量级锁有等待队列，所有拿不到锁的进入等待队列，不需要消耗CPU资源

偏向锁是否一定比自旋锁效率高？

不一定，在明确知道会有多线程竞争的情况下，偏向锁肯定会涉及锁撤销，这时候直接使用自旋锁

JVM启动过程，会有很多线程竞争（明确），所以默认情况启动时不打开偏向锁，过一段儿时间再打开

new - 偏向锁 - 轻量级锁（无锁, 自旋锁，自适应自旋）- 重量级锁

synchronized优化的过程和markword息息相关

用markword中最低的三位代表锁状态其中1位是偏向锁位两位是普通锁位

Object o = new Object()
锁 = 0 01 无锁态
注意：如果偏向锁打开，默认是匿名偏向状态
o.hashCode()
001 + hashcode
```
00000001 10101101 00110100 00110110
01011001 00000000 00000000 00000000
```
little endian big endian

00000000 00000000 00000000 01011001 00110110 00110100 10101101 00000000
默认synchronized(o)
00 -> 轻量级锁
默认情况偏向锁有个时延，默认是4秒
why? 因为JVM虚拟机自己有一些默认启动的线程，里面有好多sync代码，这些sync代码启动时就知道肯定会有竞争，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断的进行锁撤销和锁升级的操作，效率较低。
```
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
```
如果设定上述参数
new Object () - > 101 偏向锁 ->线程ID为0 -> Anonymous BiasedLock
打开偏向锁，new出来的对象，默认就是一个可偏向匿名对象101
如果有线程上锁
上偏向锁，指的就是，把markword的线程ID改为自己线程ID的过程
偏向锁不可重偏向批量偏向批量撤销
如果有线程竞争
撤销偏向锁，升级轻量级锁
线程在自己的线程栈生成LockRecord ，用CAS操作将markword设置为指向自己这个线程的LR的指针，设置成功者得到锁
如果竞争加剧
竞争加剧：有线程超过10次自旋， -XX:PreBlockSpin，或者自旋线程数超过CPU核数的一半， 1.6之后，加入自适应自旋 Adapative Self Spinning ， JVM自己控制
升级重量级锁：-> 向操作系统申请资源，linux mutex , CPU从3级-0级系统调用，线程挂起，进入等待队列，等待操作系统的调度，然后再映射回用户空间

(以上实验环境是JDK11，打开就是偏向锁，而JDK8默认对象头是无锁)

偏向锁默认是打开的，但是有一个时延，如果要观察到偏向锁，应该设定参数

如果计算过对象的hashCode，则对象无法进入偏向状态！

轻量级锁重量级锁的hashCode存在与什么地方？

答案：线程栈中，轻量级锁的LR中，或是代表重量级锁的ObjectMonitor的成员中

关于epoch: (不重要)

批量重偏向与批量撤销渊源：从偏向锁的加锁解锁过程中可看出，当只有一个线程反复进入同步块时，偏向锁带来的性能开销基本可以忽略，但是当有其他线程尝试获得锁时，就需要等到safe point时，再将偏向锁撤销为无锁状态或升级为轻量级，会消耗一定的性能，所以在多线程竞争频繁的情况下，偏向锁不仅不能提高性能，还会导致性能下降。于是，就有了批量重偏向与批量撤销的机制。

原理以class为单位，为每个class维护解决场景批量重偏向（bulk rebias）机制是为了解决：一个线程创建了大量对象并执行了初始的同步操作，后来另一个线程也来将这些对象作为锁对象进行操作，这样会导致大量的偏向锁撤销操作。批量撤销（bulk revoke）机制是为了解决：在明显多线程竞争剧烈的场景下使用偏向锁是不合适的。

一个偏向锁撤销计数器，每一次该class的对象发生偏向撤销操作时，该计数器+1，当这个值达到重偏向阈值（默认20）时，JVM就认为该class的偏向锁有问题，因此会进行批量重偏向。每个class对象会有一个对应的epoch字段，每个处于偏向锁状态对象的Mark Word中也有该字段，其初始值为创建该对象时class中的epoch的值。每次发生批量重偏向时，就将该值+1，同时遍历JVM中所有线程的栈，找到该class所有正处于加锁状态的偏向锁，将其epoch字段改为新值。下次获得锁时，发现当前对象的epoch值和class的epoch不相等，那就算当前已经偏向了其他线程，也不会执行撤销操作，而是直接通过CAS操作将其Mark Word的Thread Id 改成当前线程Id。当达到重偏向阈值后，假设该class计数器继续增长，当其达到批量撤销的阈值后（默认40），JVM就认为该class的使用场景存在多线程竞争，会标记该class为不可偏向，之后，对于该class的锁，直接走轻量级锁的逻辑。

加锁，指的是锁定对象

锁升级的过程
JDK较早的版本 OS的资源互斥量用户态 -> 内核态的转换重量级效率比较低

现代版本进行了优化
无锁 - 偏向锁 -轻量级锁（自旋锁）-重量级锁

偏向锁 - markword 上记录当前线程指针，下次同一个线程加锁的时候，不需要争用，只需要判断线程指针是否同一个，所以，偏向锁，偏向加锁的第一个线程。hashCode备份在线程栈上线程销毁，锁降级为无锁

有争用 - 锁升级为轻量级锁 - 每个线程有自己的LockRecord在自己的线程栈上，用CAS去争用markword的LR的指针，指针指向哪个线程的LR，哪个线程就拥有锁

自旋超过10次，升级为重量级锁 - 如果太多线程自旋 CPU消耗过大，不如升级为重量级锁，进入等待队列（不消耗CPU）-XX:PreBlockSpin

自旋锁在 JDK1.4.2 中引入，使用 -XX:+UseSpinning 来开启。JDK 6 中变为默认开启，并且引入了自适应的自旋锁（适应性自旋锁）。

自适应自旋锁意味着自旋的时间（次数）不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源。

偏向锁由于有锁撤销的过程revoke，会消耗系统资源，所以，在锁争用特别激烈的时候，用偏向锁未必效率高。还不如直接使用轻量级锁。

锁重入

sychronized是可重入锁

重入次数必须记录，因为要解锁几次必须得对应

偏向锁自旋锁 -> 线程栈 -> LR + 1

重量级锁 -> ? ObjectMonitor字段上

synchronized最底层实现


public class T {
    static volatile int i = 0;
    
    public static void n() { i++; }
    
    public static synchronized void m() {}
    
    publics static void main(String[] args) {
        for(int j=0; j<1000_000; j++) {
            m();
            n();
        }
    }
}

java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly T

C1 Compile Level 1 (一级优化)

C2 Compile Level 2 (二级优化)

找到m() n()方法的汇编码，会看到 lock comxchg .....指令

synchronized vs Lock (CAS)

 在高争用 高耗时的环境下synchronized效率更高
 在低争用 低耗时的环境下CAS效率更高
 synchronized到重量级之后是等待队列（不消耗CPU）
 CAS（等待期间消耗CPU）
 
 一切以实测为准

锁消除 lock eliminate

public void add(String str1,String str2){
         StringBuffer sb = new StringBuffer();
         sb.append(str1).append(str2);
}

我们都知道 StringBuffer 是线程安全的，因为它的关键方法都是被 synchronized 修饰过的，但我们看上面这段代码，我们会发现，sb 这个引用只会在 add 方法中使用，不可能被其它线程引用（因为是局部变量，栈私有），因此 sb 是不可能共享的资源，JVM 会自动消除 StringBuffer 对象内部的锁。

锁粗化 lock coarsening

public String test(String str){
       
       int i = 0;
       StringBuffer sb = new StringBuffer():
       while(i < 100){
           sb.append(str);
           i++;
       }
       return sb.toString():
}

JVM 会检测到这样一连串的操作都对同一个对象加锁（while 循环内 100 次执行 append，没有锁粗化的就要进行 100 次加锁/解锁），此时 JVM 就会将加锁的范围粗化到这一连串的操作的外部（比如 while 虚幻体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。

锁降级（不重要）

https://www.zhihu.com/question/63859501

其实，只被VMThread访问，降级也就没啥意义了。所以可以简单认为锁降级不存在！

超线程

一个ALU + 两组Registers + PC

参考资料

http://openjdk.java.net/groups/hotspot/docs/HotSpotGlossary.html