Java杂谈之synchronized锁升级
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2021-04-08 12:19
--------无聊望见了犹豫 达到理想不太易
胡思乱想,枯木逢春
本来计划一个月更新一到两篇技术文章,由于最近生病只能在家吃饭和多次复查,原本一些的空闲时间被辗转于医院和做饭占用,生病后才能更深刻体会健康的重要性。
另外由于搬家周末也是几乎都没有什么时间,搬东西时发现东西越搬越多,很多估计以后永远不会再用到的东西,看到这些想起小学时学过的一篇文章《哨子》,买了很多无用的东西同时又缺少断舍离的勇气,导致杂物缠身。以后买东西切记不要为一个“哨子”付出过高的代价,同时该舍弃时就要舍弃,太深的留恋反而变成了牵绊。
用户态与内核态
所有的JVM底层原理逃不开操作系统,从操作系统层面看程序分为内核态和用户态
![](https://filescdn.proginn.com/2623c8a581e11c47ec5605865264009c/712fb26f747a3c74c0ed561f1446b2a2.webp)
什么是用户态和内核态
用户态:只能受限的访问内存,且不允许访问外围设备,占用cpu的能力被剥夺,cpu资源可以被其他程序获取。
内核态:cpu可以访问内存的所有数据,包括外围设备,例如硬盘,网卡,cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
为什么要有用户态和内核态?
由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, 划分出两个权限等级 -- 用户态和内核态。
为什么要讲用户态和内核态?
因为要理解syncronized锁升级就必须有这方面的基础,JVM更多的是定义规范实现很多种,本文主要介绍oracle实现的Hotspot版本,像IBM的J9、taobaoVM都有类似的实现。
syncronized锁升级
很多文章已经介绍过JDK早期(1.6之前不包括1.6),syncronized是重量级锁。
什么是锁
从古代的门闩、铁锁到现在的密码锁、指纹锁,锁的便携性和安全性不断提高,对私有财产保护更加高效和健全。在计算机世界里,单机线程时代里没有锁的概念。自从出现了资源竞争,我们才意识到需要对部分场景执行的现场加锁表明自己短暂的拥有。计算机开始的锁都是悲观锁,发展到现在乐观锁、偏向锁、分段锁等。锁主要提供了两种特性:互斥性和不可见性。因为有锁的存在,某些操作对外界来说是黑箱进行的,只有锁的持有者才知道对变量做了什么修改。
什么是重量级锁?
早期synchronized因为申请锁资源必须通过内核kernel系统调用,所以称为重量级锁。
为什么是重量级锁
为什么经过内核就是重量级锁了???这就要从synchronized底层说起,早期底层实现为了简便直接用了互斥锁,synchronized应该称为监视器锁(Monitor)本质是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock(互斥锁)来实现的。每个对象都对应于一个可称为" 互斥锁" 的标记,这个标记用来保证在任一时刻,只能有一个线程访问该对象,这个互斥锁的CPU与内存的北桥信号或总线。同时,执行互斥锁需要操作系统的调用,由于Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一条线程,都需要操作系统来帮忙完成,这就需要从用户态转换到内核态中,状态转换需要耗费很多的处理器时间。所以synchronized是Java语言中的一个重量级操作,重量的原因是需要操作系统大哥帮忙调度,这就会涉及系统调用和中断,下面汇编代码简单说明系统调用过程
section .text
global _start
_start:
mov edx, len
mov ecx, msg
mov ebx, 1 ;文件描述符1 std_out
mov eax, 4 ;write函数系统调用号 4
int 0x80
mov ebx, 0
mov eax, 1 ;exit函数系统调用号
int 0x80
当程序执行系统调用时首先使用类似int 80H的软中断命令保存现场,去系统调用、内核执行、然后恢复现场,每个线程都会有两个栈,一个内核态栈和一个用户态栈。当中断执行时就会有用户态转到内核态,系统调用会执行栈的切换,而且内核态对用户态是不信任的,需要做一系列额外的检查,系统调用的返回过程需要很多检查比如是否需要调度、同时还要保存上下文,这都是说明为什么是重量级锁的原因。
为什么说是同步监视器
先看如下代码,一个简单的synchronized代码块
public class SynLock {
public void testSynBlock() {
synchronized (this) {
System.out.println("steven");
}
}
}
javac编译后可以看下字节码,如果用文本工具直接打卡都是16进制代码,除了最开始java版本基本看不懂,所以用javap反编译来看,javap可以把字节码编译成一些可读的代码形式,反编译class后如下:
![](https://filescdn.proginn.com/7b3a71a299b747db3b93c02de84a7340/e1302bb4d5f66d154b4184df29384f2e.webp)
从图中反编译可以看到多了monitorenter 和 monitorexit指令,JVM规范里对moniterenter 和 monitorexit的介绍:
大体意思:
每个对象都有一个监视器(Moniter)与它相关联,执行moniterenter指令的线程将获得与objectref关联的监视器的所有权,如果另一个线程已经拥有与objectref关联的监视器,则当前线程将等待直到对象被解锁为止。
大体意思:
一个monitorenter和一个或多个monitorexit指令来实现Java语言的同步代码块
monitorenter和monitorexit指令没有被用在同步方法上
现在又多出两个疑问:
为什么一个monitorenter和一个或多个monitorexit
为什么monitorenter和monitorexit指令没有被用在同步方法上
答案来了:
monitorenter过程如下:
如果monitor的进入数为0,则该线程进入monitor,然后将进入数设置为1,该线程即为monitor的所有者。
如果线程已经占有该monitor,只是重新进入,则进入monitor的进入数加1(典型的重入锁逻辑).
如果其他线程已经占用了monitor,则该线程进入阻塞状态,直到monitor的进入数为0,再重新尝试获取monitor的所有权
monitorexit的执行线程必须是monitor的所有者。
指令执行时,monitor的进入数减1
如果减1后进入数为0,那线程退出monitor,不再是这个monitor的所有者
其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权
也就是说monitorexit对应释放锁的过程,也就必须在代码块所有可能的出口执行,从上图反编译图中看出一个monitorenter对应了两个monitorexit,此处就是因为代码块有两处结束的可能一是执行完,而是抛出异常。
具体实现Hotspot源码如下,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
第二个问题:首先看下方法代码
public class SynLock {
private synchronized void testSynMethod() {
System.out.println("steven");
}
}
用命令行执行编译和反编译很是繁琐,所以这次改用IDEA和Jclasslib插件来分析:
![](https://filescdn.proginn.com/ad45ff0587c3f871d3a21ece72fd0208/97f30496a49ec8919b7d084c3b917dd2.webp)
从图中可以看出方法内字节码没有monitor相关操作
![](https://filescdn.proginn.com/f9702a573e4b2ab460dd64a9cb2fd88f/944854117dd9d6c65466c62c0d7ebea8.webp)
但是在方法的access _Flags上可以看到加上了synchronized标签,此时把方法修改成静态方法,可以看到 flags上又多出了static标签,学过字节码应该都知道此处含义,JVM就是通过这个标签来识别方法属性,当JVM执行引擎执行某一个方法时,其会从方法区中获取该方法的access_flags,检查其是否有ACC_SYNCRHONIZED标识符,若是有该标识符,则说明当前方法是同步方法,需要先获取当前对象的monitor,再来执行方法,
![](https://filescdn.proginn.com/440c4450c740f1c7ca158581a60b2201/93ba4100e2e732f761c2aafa0922506b.webp)
如果是实例方法获取的对象就是this,如果是静态方法获取的对象就是class。
常见flags如下图所示:
![](https://filescdn.proginn.com/a7674cb8caee79e30ea02dcc73d73aab/5484d3c217aacd09d3ade219b7ec170c.webp)
锁升级
由于synchronized性能问题在JDK1.6前饱受诟病,同时和@author Doug Lea大神写的目前在JUC下的AQS实现的锁差距太大,synchronized开发人员感觉脸上挂不住,所以在1.6版本进行了大幅改造升级,于是就出现了现在常通说的锁升级或锁膨胀的概念,整体思路就是能不打扰操作系统大哥就不打扰大哥,能在用户态解决的就不经过内核。
升级过程
![](https://filescdn.proginn.com/4b1f174ec78240f051b6cc50ce69605c/8d1bc0982025238dc9445b1cd263dc1a.webp)
无锁(锁对象初始化时)-> 偏向锁(有线程请求锁) -> 轻量级锁(多线程轻度竞争)-> 重量级锁(线程过多或长耗时操作,线程自旋过度消耗cpu);
对象头
验证之前需要补充一点知识,锁的状态是保存在哪?
通过上面分析所有同步监视器都是监视的对应,锁的状态就在对象markword上,它是java对象数据结构中的一部分,对象的markword和java各种类型的锁密切相关;
markword数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针.jvm配置参数:UseCompressedOops,compressed--压缩、oop--对象指针)中分别为32bit和64bit,它的最后2bit是锁状态标志位,用来标记当前对象的状态,对象的所处的状态,决定了markword存储的内容,如下表所示:
![](https://filescdn.proginn.com/2673b16d892b5051d4cee995797f5bc8/ffec8ce05299bfa6d9e5dc8831cacced.webp)
![](https://filescdn.proginn.com/2673b16d892b5051d4cee995797f5bc8/ffec8ce05299bfa6d9e5dc8831cacced.webp)
![](https://filescdn.proginn.com/aad252c386500434982cfdd75fa3401a/cdc47f5334e382623ba1e6e1cddb9505.webp)
对象头包含两个word,mark word为第一个word根据文档可以知他里面包含了锁的信息,hashcode,gc信息等等,klass word为对象头的第二个word主要指向对象的元数据。
64位虚拟机锁对象状态:
![](https://filescdn.proginn.com/3ae1301ef1449cf57f74384f9b3cb8b9/65c9932e2908feb977cf61a99cdf91f8.webp)
简单来说:
状态 | 标志位 | 存储内容 |
---|---|---|
未锁定 | 01 | 对象哈希码、对象分代年龄 |
轻量级锁定 | 00 | 指向锁记录的指针 |
重量级锁定 | 10 | 执行重量级锁定的指针 |
GC标记 | 11 | 空(不需要记录信息) |
偏向锁 | 01 | 偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 |
为什么选取这个过程呢???
JDK开发人员做了大量统计,得出的结论是虽然开发人员加上synchronized来互斥资源访问,但是真正竞争资源的时间几乎没有或者很短暂,也就是说很多的锁是没有必要的。
synchronizer再Hotspot中的源码为synchronizer.cpp如下所示,可以看到BiasedLock和CAS等锁
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);
}
怎么证明存在升级过程
通过对象头就可以知道锁状态,所以可以通过观察对象头来验证,我知道的有两种方式打印出来,一是通过java agent在对象创建后增加代理用ObjectSizeService.sizeOf,一种是OpenJDK提供的JOL来实现。
JOL(Java object layeout)java对象布局,引入maven坐标:
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.10</version>
</dependency>
测试代码:
@Test
public void test_object_layout() {
Object o = new Object();
System.out.println(VM.current().details());
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
![](https://filescdn.proginn.com/4a1a9f2953997a893fdf2c3a87130ed0/a6896441d0bc4763141e53be4be350ce.webp)
简单分析下打印内容:
整个对象一共16B,其中对象头(Object header)12B,还有4B是对齐的字节(因为在64位虚拟机上对象的大小必 须是8的倍数),由于这个对象里面没有任何字段,故而对象的实例数据为0B。
![在这里插入图片描述](https://filescdn.proginn.com/1b2f68723a91c7e7ffc0ab131a2cf9d6/cd4c0e0619d8e19f43b77d4ecc8a9344.webp)
ObjectHeader的12B是什么
这个12B当中分别存储的是什么呢?(不同位数的VM对象头的长度不一 样,我本地的是64bit的vm),openJdk文档中有解释:
mark word为第一个word根据文档可以知他里面包含了锁的信息,hashcode,gc信息等等,klass word为对象头的第二个word主要指向对象的元数据,,根据上述利用JOL打印的对象头信息可以知道一个对象头是12Byte,其中8Byte是mark word 那么剩下的4Byte就是klass word了,和锁相关的就是mark word了,那么接下来重点分析mark word里面信息
码验证偏向锁
@Test
public void test_syn_lock() {
Object o = new Object();
synchronized (o){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
System.out.println("--------------------------------------");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
![](https://filescdn.proginn.com/56d016175c75e5bef95f56d454a45fd3/f1727f12dda6570539c7474b1d8a976a.webp)
从结果markword截图没有偏向锁,直接变成轻量级锁,这是什么原因呢?这是JDK开发人员故意而为之,因为一般启动时会有很多对象分配、jvm,gc等线程竞争没必要立刻开启偏向锁,默认延迟4秒开启。把上述代码当中加上 睡眠5秒的代码,结果就会不一样了
@Test
public void test_syn_lock() {
TimeUnit.SECONDS.sleep(5L);
Object o = new Object();
synchronized (o){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
System.out.println("--------------------------------------");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
![](https://filescdn.proginn.com/869b548bd06e16d910acc5a86173e8b9/ef89188feeefdc24196d342434f4bdcb.webp)
jvm默认延时4s自动开启偏向锁(此时为匿名偏向锁,不指向任务线程),可通过-XX:BiasedLockingStartUpDelay=0取消延时;如果不要偏向锁,可通过-XX:-UseBiasedLocking = false来设置。
验证重量级锁:
@Test
public void test_syn_heavy_lock() throws InterruptedException {
Object o = new Object();
//模拟多线程竞争
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(()->{
synchronized (o){
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
TimeUnit.SECONDS.sleep(5L);
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
TimeUnit.SECONDS.sleep(100L);
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}
![](https://filescdn.proginn.com/322e8a8f8bac0c2d24b6b7eaf0cc0664/e3acd7a67e2bb49dadb905747fed56d8.webp)
结果可以看出:所有线程结束后已经不存在竞争时并不会变为无锁状态,也就是说锁只能升级,不能降级,竞争比较严重时升级为重量级锁,偏向锁和轻量级锁在用户态维护不需要经过内核态,重量级锁需要切换到内核态(os)进行维护,这也是为什么JDK1.6后synchronized性能大幅提升的本质。
轻量级锁
在锁升级过程中有一个轻量级锁,轻量级锁一般指的就是自旋锁CAS(Compare And Exchange),对java开发者来说这种锁也可以看成无锁,因为在java代码层面没有锁的代码。
CAS因为经常配合循环操作,直到完成为止,所以泛指一类操作,cas(v, a, b) ,变量v,期待值a, 修改值b,可能出现ABA问题,解决办法(版本号 AtomicStampedReference),基础类型简单值不需要版本号。
JDK1.6后大量引入CAS操作,比如原子操作类AtomicXXX, synchronized全是C ++ 实现无法跟踪,所以以AtomicInteger举例CAS,AtomicInteger调用incrementAndGet方法会调用unsafe类compareAndSwapInt方法,再往里跟代码发现无法进入,以为此时应是native方法已经是C++实现了,可以在oracle官网下载Hotspot代码分析,大体思路就是用linux_x86汇编语言的lock和cmpxchg指令, 这几个指令都是在用户态实现,不会经过内核态的切换,所以效率比较高,所以称之为轻量级锁。
下面为CAS典型的JUC包下的AtomicIntegerr核心代码部分,这块代码比synchronized要清晰一点,有C++基础的可以研究下
java:AtomicInteger:
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {// 自旋
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
Java :Unsafe:
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
jdk8u: unsafe.cpp: cmpxchg = compare and exchange
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
jdk8u: atomic_linux_x86.inline.hpp 93行
is_MP = Multi Processors 多个CPU时处理:
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::is_MP();
__asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
: "=a" (exchange_value)
: "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
: "cc", "memory");
return exchange_value;
}
底层是通过指令cmpxchgl来实现,如果程序是多核环境下,还会先在cmpxchgl前生成lock指令前缀,反之如果是在单核环境下就不需要生成lock指令前缀。为什么多核要生成lock指令前缀?因为CAS是一个原子操作,原子操作隐射到计算机汇编级别的实现,多核CPU的时候,如果这个操作给到了多个CPU,就破坏了原子性,所以多核环境肯定得先加一个lock指令,不管这个它是以总线锁还是以缓存锁来实现的,单核就不存在这样的问题了。JVM中除了CAS还有八种原子指令,有兴趣的可以自行学习。
jdk8u: os.hpp is_MP()
static inline bool is_MP() {//判断是否是多核
// During bootstrap if _processor_count is not yet initialized
// we claim to be MP as that is safest. If any platform has a
// stub generator that might be triggered in this phase and for
// which being declared MP when in fact not, is a problem - then
// the bootstrap routine for the stub generator needs to check
// the processor count directly and leave the bootstrap routine
// in place until called after initialization has ocurred.
return (_processor_count != 1) || AssumeMP;
}
jdk8u: atomic_linux_x86.inline.hpp
#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "
最后:cmpxchg = cas修改变量值
可以通过C++代码发现,CAS最终是以lock cmpxchg指令来实现的,这两个指令都是汇编指令,对我们java应用开发人员来说可以理解为硬件级别的代码。
使用场景
synchronized 相比如AQS锁使用更简洁不需要显示的获取锁、释放锁,同时又有偏向锁、自旋锁等高性能方式,所以在可能存在资源竞争但是可能性很小或者竞争等待很短时使用synchronized 更好。
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