文章: Java SE1.6中的Synchronized

标签: 文章 java se1 | 发表时间:2012-05-24 13:00 | 作者:
出处:http://pipes.yahoo.com/pipes/pipe.info?_id=10560380f804c7341f042a2b8a03e117

1 引言

在多线程并发编程中Synchronized一直是元老级角色,很多人都会称呼它为重量级锁,但是随着Java SE1.6对Synchronized进行了各种优化之后,有些情况下它并不那么重了,本文详细介绍了Java SE1.6中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗,而引入的偏向锁和轻量级锁,以及锁的存储结构和升级过程。

2 术语定义

术语

英文

说明

CAS

Compare and Swap

比较并设置。用于在硬件层面上提供原子性操作。在 Intel 处理器中,比较并交换通过指令cmpxchg实现。比较是否和给定的数值一致,如果一致则修改,不一致则不修改。

3 同步的基础

Java中的每一个对象都可以做为锁。

  • 对于同步方法,锁是当前实例对象。
  • 对于静态同步方法,锁是当前对象的Class对象。
  • 对于同步方法块,锁是Synchonized括号里配置的对象。

当一个线程试图访问同步代码块时,它首先必须得到锁,退出或抛出异常时必须释放锁。那么锁存在哪里呢?锁里面会存储什么信息呢?

4 同步的原理

JVM规范规定JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现,而方法同步是使用另外一种方式实现的,细节在JVM规范里并没有详细说明,但是方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置,而monitorexit是插入到方法结束处和异常处, JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个 monitor 与之关联,当且一个monitor 被持有后,它将处于锁定状态。线程执行到 monitorenter 指令时,将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权,即尝试获得对象的锁。

4.1 Java对象头

锁存在Java对象头里。如果对象是数组类型,则虚拟机用3个Word(字宽)存储对象头,如果对象是非数组类型,则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中,一字宽等于四字节,即32bit。

长度

内容

说明

32/64bit

Mark Word

存储对象的hashCode或锁信息等。

32/64bit

Class Metadata Address

存储到对象类型数据的指针

32/64bit

Array length

数组的长度(如果当前对象是数组)

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode,分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下:

 

25 bit

4bit

1bit

是否是偏向锁

2bit

锁标志位

无锁状态

对象的hashCode

对象分代年龄

0

01

在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据。 

锁状态

25 bit

4bit

1bit

2bit

23bit

2bit

是否是偏向锁

锁标志位

轻量级锁

指向栈中锁记录的指针

00

重量级锁

指向互斥量(重量级锁)的指针

10

GC标记

11

偏向锁

线程ID

Epoch

对象分代年龄

1

01

在64位虚拟机下,Mark Word是64bit大小的,其存储结构如下: 

锁状态

25bit

31bit

1bit

4bit

1bit

2bit

 

 

cms_free

分代年龄

偏向锁

锁标志位

无锁

unused

hashCode

 

 

0

01

偏向锁

ThreadID(54bit) Epoch(2bit)

 

 

1

01

4.2 锁的升级

Java SE1.6为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗,引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。所以在Java SE1.6里锁一共有四种状态,无锁状态,偏向锁状态,轻量级锁状态和重量级锁状态,它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级,意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略,目的是为了提高获得锁和释放锁的效率,下文会详细分析。

4.3 偏向锁

Hotspot的作者经过以往的研究发现大多数情况下锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头和栈针中的锁记录里存储锁偏向的线程ID,以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁,而只需简单的测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁,如果测试成功,表示线程已经获得了锁,如果测试失败,则需要再测试下Mark Word中偏向锁的标示是否设置成1(表示当前是偏向锁),如果没有设置,则使用CAS竞争锁,如果设置了,则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁的撤销:偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制,所以当其他线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有字节码正在执行),它会首先暂停拥有偏向锁的线程,然后检查持有偏向锁的线程是否活着,如果线程不处于活动状态,则将对象头设置成无锁状态,如果线程仍然活着,拥有偏向锁的栈会被执行,遍历偏向对象的锁记录,栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向与其他线程,要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁,最后唤醒暂停的线程。下图中的线程1演示了偏向锁初始化的流程,线程2演示了偏向锁撤销的流程。

关闭偏向锁:偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的,但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活,如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟-XX:BiasedLockingStartupDelay = 0。如果你确定自己应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态,可以通过JVM参数关闭偏向锁-XX:-UseBiasedLocking=false,那么默认会进入轻量级锁状态。

4.4 轻量级锁

轻量级锁加锁:线程在执行同步块之前,JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中,官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功,当前线程获得锁,如果失败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

轻量级锁解锁:轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头,如果成功,则表示没有竞争发生。如果失败,表示当前锁存在竞争,锁就会膨胀成重量级锁。下图是两个线程同时争夺锁,导致锁膨胀的流程图。

因为自旋会消耗CPU,为了避免无用的自旋(比如获得锁的线程被阻塞住了),一旦锁升级成重量级锁,就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下,其他线程试图获取锁时,都会被阻塞住,当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程,被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

5 锁的优缺点对比

锁 优点 缺点 适用场景 偏向锁 加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。 如果线程间存在锁竞争,会带来额外的锁撤销的消耗。 适用于只有一个线程访问同步块场景。 轻量级锁 竞争的线程不会阻塞,提高了程序的响应速度。 如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。 追求响应时间。 同步块执行速度非常快。 重量级锁 线程竞争不使用自旋,不会消耗CPU。 线程阻塞,响应时间缓慢。 追求吞吐量。 同步块执行速度较长。

6 参考源码

本文一些内容参考了 HotSopt源码 。对象头源码markOop.hpp。偏向锁源码biasedLocking.cpp。以及其他源码ObjectMonitor.cpp和BasicLock.cpp。

7 参考资料

作者简介

方腾飞,阿里巴巴资深软件开发工程师,致力于高性能网络和并发编程,目前在公司从事询盘管理和长连接服务器OpenComet的开发工作。 博客地址: http://kiral.iteye.com 微博地址: http://weibo.com/kirals


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