线程间的同步与通信(3)——浅析synchronized的实现原理

前言

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前面两篇文章我们介绍了synchronized同步代码块以及wait和notify机制,大致知道了这些关键字和方法是干什么的,以及怎么用。

但是,知其然,并不知其所以然。

例如:

  1. 什么是监视器锁?
  2. JAVA中任何对象都可以作为锁,那么锁信息是怎么被记录和存储的?
  3. 监视器锁是怎样被获取的?
  4. 监视器锁是怎样被释放的?
  5. 什么是wait set

本篇我们将来解答这些问题。

spin-lock 和 suspend-lock

总的来说,锁有两种不同的实现方式,一种是自旋,一种是挂起。

(suspend-lock不知道怎么翻译,感觉叫"挂起锁"或"悬挂锁"都太难听了,后面就直接不翻译了)

自旋锁是一种乐观锁,它乐观地认为锁资源没有被占用,或者即使被占用了,也很快就会被释放, 所以当它发现锁已经被占用后,大多会在原地忙等待(一般是在死循环中等待,这也就是自旋的由来), 直到锁被释放,我们在之前分析AQS的文章中提过,AQS处在阻塞队列头部的线程用的就是自旋的方式来等待锁。

suspend-lock是一种悲观锁,它悲观地认为锁竞争总是经常发生的,如果锁被占用了,基本短时间内不会释放,所以他会让出CPU资源,直接挂起,等待条件满足后,别人将自己唤醒。

自旋锁的优点是实现简单,只需要很小的内存,在竞争不多的场景中性能很好。但是如果锁竞争很多,那么大量的时间会浪费在无意义的自旋等待上,造成CPU利用率降低。

suspend-lock的优点是CPU利用率高,因为在发现锁被占用后,它会立即释放自己剩下的CPU时间隙(time-slice)给其他线程,以期望获得更高的CPU利用率。但是因为线程的挂起与唤醒需要通过操作系统调用来完成,这涉及到用户空间和内核空间的转换,线程上下文的切换,所以即使在竞争很少的场景中,这种锁也会显得很慢。但是如果锁竞争很激烈,则这种锁就可以获得很好的性能。

由此可见,自旋锁和suspend-lock各有优劣,他们分别适用于竞争不多和竞争激烈的场景中。

在实际的应用中,我们可以综合这两种方式的优点,例如AQS中,排在阻塞队列第一位的使用自旋等待,而排在后面的线程则挂起。

而我们今天要讲的synchronized,使用的是suspend-lock方式。

synchronized的实现

既然前面提到了synchronized用的是suspend-lock方式,在看synchronized的实现原理之前,我们不妨来思考一下: 如果要我们自己设计,该怎么做?

前几篇我们提到过:

每个java对象都可以用做一个实现同步的锁, 这些锁被称为内置锁(Intrinsic Lock)或者监视器锁(Monitor Lock).

要实现这个目标,则每个java对象都应该与某种类型的锁数据关联。

这就意味着,我们需要一个存储锁数据的地方,并且每一个对象都应该有这么个地方。

在java中,这个地方就是对象头。

其实Java的对象头和对象的关系很像Http请求的http headerhttp body的关系。

对象头中存储了该对象的metadata, 除了该对象的锁信息,还包括指向该对象对应的类的指针,对象的hashcode, GC分代年龄等,在对象头这个寸土寸金的地方,根据锁状态的不同,有些内存是大家公用的,在不同的锁状态下,存储不同的信息,而对象头中存储锁信息的那部分字段,我们称作Mark Word, 这个我们就不展开了讲了。我们只需要知道:

锁信息存储在对象头的Mark Word

在synchronized锁中,这个存储在对象头的Mark Word中的锁信息是一个指针,它指向一个monitor对象(也称为管程或监视器锁)的起始地址。这样,我们就通过对象头,将每一个对象与一个monitor关联了起来,它们的关系如下图所示:

java fat lock
(图片来源: Evaluating and improving biased locking in the HotSpot virtual machine

图片的最左边是线程的调用栈,它引用了堆中的一个对象,该对象的对象头部分记录了该对象所使用的监视器锁,该监视器锁指向了一个monitor对象。

那么这个monitor对象是什么呢? 在Java虚拟机(HotSpot)中,monitor是由ObjectMonitor实现的,其主要数据结构如下: (源码在这里)

 ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL;
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;
 }

上面这些字段中,我们只需要重点关注三个字段:

  • _owner : 当前拥有该 ObjectMonitor 的线程
  • _EntryList: 当前等待锁的集合
  • _WaitSet: 调用了Object.wait()方法而进入等待状态的线程的集合,即我们上一篇一直提到的wait set

在java中,每一个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象,当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会被扔进 _EntryList 集合中,如果其中的某个线程获得了monitor对象,他将成为 _owner,如果在它成为 _owner之后又调用了wait方法,则他将释放获得的monitor对象,进入 _WaitSet集合中等待被唤醒。

monitor对象

(图片来源: Inter-thread communication in Java)

另外,因为每一个对象都可以作为synchronized的锁,所以每一个对象都必须支持wait()notifynotifyAll方法,使得线程能够在一个monitor对象上wait, 直到它被notify。这也就解释了这三个方法为什么定义在了Object类中——这样,所有的类都将持有这三个方法。

总结:

  1. 每一个java对象都和一个ObjectMonitor对象相关联,关联关系存储在该java对象的对象头里的Mark Word中。
  2. 每一个试图进入同步代码块的线程都会被封装成ObjectWaiter对象,它们或在ObjectMonitor对象的_EntryList中,或在 _WaitSet 中,等待成为ObjectMonitor对象的owner. 成为owner的对象即获取了监视器锁。

所以,说是每一个java对象都可以作为锁,其实是指将每一个java对象所关联的ObjectMonitor作为锁,更进一步是指,大家都想成为 某一个java对象所关联的ObjectMonitor对象的_owner,所以你可以把这个_owner看做是铁王座,所有等待在这个监视器锁上的线程都想坐上这个铁王座,谁拥有了它,谁就有进入由它锁住的同步代码块的权利。

附加题

其实,了解到上面这个程度已经足够用了,如果你想再深入的了解,例如synchronized在字节码层面的具体语义实现,这里推荐几篇博客:

另外,如果你想深入了解偏向锁,轻量级锁,以及锁膨胀的过程,强烈建议看下面这篇论文:

该篇论文的介绍非常详细,关键是有很多图示,对于Mark Word在不同锁状态的描述很清晰。

(完)

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