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2020
09-24

Java synchronize底层实现原理及优化

首先来说下synchronize和Lock的区别：

两者都是锁，用来控制并发冲突，区别在于Lock是个接口，提供的功能更加丰富，除了这个外，他们还有如下区别：

  • synchronize自动释放锁，而Lock必须手动释放，并且代码中出现异常会导致unlock代码不执行，所以Lock一般在Finally中释放，而synchronize释放锁是由JVM自动执行的。
  • Lock有共享锁的概念，所以可以设置读写锁提高效率，synchronize不能。（两者都可重入）
  • Lock可以让线程在获取锁的过程中响应中断，而synchronize不会，线程会一直等待下去。lock.lockInterruptibly()方法会优先响应中断，而不是像lock一样优先去获取锁。
  • Lock锁的是代码块，synchronize还能锁方法和类。
  • Lock可以知道线程有没有拿到锁，而synchronize不能

Lock锁对应有源码的，可以查看下代码，那么synchronize在JVM层面是怎么实现的呢,我们看下字节码文件：

先用javac Test.class 编译出class文件再用javap ?c Test.class查看字节码文件

我们写个DEMO看下，JVM底层是怎么实现synchronized的：、

public class Test4 {

  private static Object LOCK = new Object();
  
  public static int main(String[] args) {
    synchronized (LOCK){
      System.out.println("Hello World");
    }
    return 1;
  }
}

在看下上面代码对应的字节码

也就是说，锁是通过monitorenter和monitorexit来实现的，这两个字节码代表的是啥意思：

可以在下面参考的网页中了解monitorenter和monitorexit的作用，我就不盗用他们的话了，大致意思是，每个对象都有一个monitor监视器，调用monitorenter就是尝试获取这个对象，成功获取到了就将值+1，离开就将值减1。如果是线程重入，在将值+1，说明monitor对象是支持可重入的。

我之前分析过一篇ReenternLock，概念都是类似的，只是锁是自身维护了一个volatile int类型的变量，通过对它加一减一表示占有锁啊重入之类的概念。

注意，如果synchronize在方法上，那就没有上面两个指令，取而代之的是有一个ACC_SYNCHRONIZED修饰，表示方法加锁了。它会在常量池中增加这个一个标识符，获取它的monitor，所以本质上是一样的。

HotSpot中锁的具体实现以及对它的优化：

重量级锁：

最基础的实现方式，JVM会阻塞未获取到锁的线程，在锁被释放的时候唤醒这些线程。阻塞和唤醒操作是依赖操作系统来完成的,所以需要从用户态切换到内核态，开销很大。并且monitor调用的是操作系统底层的互斥量(mutex),本身也有用户态和内核态的切换，所以JVM引入了自旋的概念，减少上面说的线程切换的成本。

自旋锁：

如果锁被其他线程占用的时间很短，那么其他获取锁的线程只要稍微等一下就好了，没必要进行用户态和内核态之间的切换，等的状态就叫自旋。例如如下代码：

public class SpinLock {
  private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();
  public void lock() {
    Thread current = Thread.currentThread();
    // 利用CAS，获取值不对则无限循环
    while (!cas.compareAndSet(null, current)) {
      // DO nothing
    }
  }
  public void unlock() {
    Thread current = Thread.currentThread();
    cas.compareAndSet(current, null);
  }
}

自旋会跑一些无用的CPU指令，所以会浪费处理器时间，如果锁被其他线程占用的时间段的话确实是合适的…如果长的话就不如使用直接阻塞了，那么JVM怎么知道锁被占用的时间到底是长还是短呢？

因为JVM不知道锁被占用的时间长短，所以使用的是自适应自旋。就是线程空循环的次数时会动态调整的。

可以看出，自旋会导致不公平锁，不一定等待时间最长的线程会最先获取锁。

轻量级锁：

JDK1.6之后加入，它的目的并不是为了替换前面的重量级锁，而是在实际没有锁竞争的情况下，将申请互斥量这步也省掉。锁实现的核心在与对象头(MarkWord)的结构,对象自身会有信息表示所有被锁住并且锁是什么类型，如下所示：

如果代码进入同步块时，检测到对象未锁定，即标志位为01。那么当前线程就会在自身栈帧中建议一个区域保存对象的MarkWord信息，再使用CAS的方式让这个区域指向对象的MarkWork区域，这样就算加上锁了。(这样就没有获取系统mutex变量，只是改了个值，但是如果有竞争的话，就要升级成重量级锁，这样反倒变慢了)

加锁前VS 加锁后：

偏向锁：

比轻量级锁更绝，将同步操作全部省略…设置步骤是和前面的轻量级锁一样的，不同的是标志位设置的是01，即偏向模式。

不同的是同一个线程第二次进来之后，虚拟机不会再进行任何的同步操作，比如Mark Word的update。

如果有其他线程来，偏向模式就结束了，标志位会恢复到未锁定或者偏向锁。所以如果锁总是会被多个线程访问的话，还是禁止掉偏向锁优化比较好。

锁优化流程如下：(出自周志明老师的那本讲解JVM的书)

可以看出，锁是一个逐步升级的过程，不会一开始上来就重量级锁。锁一般只会升级不会降级，避免降级之后冲突导致效率不行并且又得升级。但是降级其实是允许的(STW的时候)，可以看下参考中文章里面提到的英文网站。

其他的优化还有锁消除以及锁粗化：

如果一段代码其实在作用域可以不加锁的，Javac编译器会自动优化。

锁粗化是指代码在一段代码中多次加锁，会被JVM优化成对整个代码段加锁。

（但是这两点是JVM对代码的优化，而不是对synchronized优化了，这里只是顺带提一下）

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持自学编程网。

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