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:
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• 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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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https://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:
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:
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。
参考链接
https://juejin.cn/post/6844904038580879367
https://segmentfault.com/a/1190000014315651?u_atoken=1de4c0b1-3bbd-4f24-a1ab-a997765e1e1a&u_asession=01_GMzG_R8y1NzmMkw-_FjCBDyAkKZZeqX02Aj0fLUi3NY0u-oBsC7Dy3mYDlaYjVfX0KNBwm7Lovlpxjd_P_q4JsKWYrT3W_NKPr8w6oU7K_YrukAhz0rn57pEYiZgVtjUe3R9QHfzEvknA4dzJmVTGBkFo3NEHBv0PZUm6pbxQU&u_asig=05zOyEpzkQtID72ACuBpeb8Glaue6lNWy0NQylEbR2Xc_7kNzOQ26VSExsqtnzBe0Xx0y_nHbPn6RxgW3P4ycjRX6ouZzhKXbyHd2wyK1BU-yIj5LEU571xoQb6N65-U8YiNzYYvkK1yxbcelpg93XN_0VgtmNHNEhLa9ouEeFbkf9JS7q8ZD7Xtz2Ly-b0kmuyAKRFSVJkkdwVUnyHAIJzbnmdT2ThIIvmF2G_c1IyFPFdBjB2ky9pbFgAVRR13T0H_8T8uYGNepqxdb-gLe1IO3h9VXwMyh6PgyDIVSG1W8yga-85GxBTGJYmsELhoUH8mRFOQ3P7irc0oGyG8T1Ftbng4zz7ikYTVlpim2ptLJ8hIoW81rm0R3x30M6VpJOmWspDxyAEEo4kbsryBKb9Q&u_aref=Vatq7Ew4O%2BKsO9AD17eeU57gwco%3D
原文始发于微信公众号(小海编码日记):synchronized实现原理
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