同步鎖synchronized追本溯源

来源:https://www.cnblogs.com/jiagooushi/archive/2022/08/09/16565664.html
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1 同步鎖synchronized追本溯源 引言 提到synchronized,無論是在開發過程中和麵試過程中常常遇到的問題 synchronized;也算是重災區了 為什麼說是重災區? 因為他不像其他的代碼,是有源碼,可以查看的 synchronized是一個關鍵字。直接是找不到源代碼的 接下來 ...


1 同步鎖synchronized追本溯源

引言
提到synchronized,無論是在開發過程中和麵試過程中常常遇到的問題
synchronized;也算是重災區了

為什麼說是重災區?
因為他不像其他的代碼,是有源碼,可以查看的
synchronized是一個關鍵字。直接是找不到源代碼的

接下來
我們會通過java記憶體指令碼和c++源碼(HotSpot虛擬機源碼)
給大家剖析一下synchronized到底是怎麼實現鎖同步的

1.1 synchronized場景回顧

目標:

synchronized回顧

概念

synchronized:是Java中的關鍵字,是一種同步鎖。

syn屬於哪種鎖分類:

  • 樂觀鎖、悲觀鎖(syn)

  • 獨享鎖(syn)、共用鎖

  • 公平鎖、非公平鎖(syn)

  • 互斥鎖(syn)、讀寫鎖

  • 可重入鎖(syn)

tips:

synchronized JDK1.6鎖升級 : 無鎖 -> 偏向鎖 (非鎖)-> 輕量級鎖 -> 重量級鎖(1.6前都是)

多線程特性回顧(面試常問)

原子性:指一個操作或者多個操作,要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷,要麼就都不執行

可見性:是指多個線程訪問一個資源時,該資源的狀態、值信息等對於其他線程都是可見的。

有序性:指程式中代碼的執行順序 (編譯器會重排)

sync可以完整實現以上三個特性來保障線程安全性,cas就無法達到原子性。

這是什麼原理呢?

1.2 反彙編尋找鎖實現原理

目標

通過javap反彙編看一下synchronized到底是怎麼加鎖的

com.syn.BTest

public class BTest {
    private static Object object = new Object();

     public synchronized void testMethod() {
        System.out.println("Hello World -synchronized method ");
    }

    public static void main(String[] args) {
        synchronized (object) {
            System.out.println("Hello World -synchronized block ");
            
        }
    }
}

反彙編後,我們將到什麼?

file

JDK自帶的一個工具: javap ,對位元組碼進行反彙編:

//com.syn.BTest 
javap -v -c BTest.class

-v:輸出附加信息

-c:對代碼進行反彙編

反彙編後

file

解釋
被synchronized修飾的代碼塊,多了兩個指令
monitorenter、monitorexit
即JVM使用monitorenter和monitorexit兩個指令實現同步

file

解釋

方法調用時會檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標誌是否被設置,如果設置了,執行線程將先獲取monitor,獲取成功之後才能執行方法體,方法執行完後再釋放monitor。也就是jvm會隱式調用monitorenter和
monitorexit。

  • monitorenter原理

monitorenter首先我們來看一下JVM規範中對於monitorenter的描述

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5.monitorenter
monitorenter :
Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitor associated with objectref, as follows:
• If the entry count of the monitor associated with objectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The thread is then the owner of the monitor.
• If the thread already owns the monitor associated with objectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count.
• If another thread already owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor’s entry count is zero, then tries again to gain ownership.

monitorexit: 
The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated with the instance referenced by objectref.
The thread decrements the entry count of the monitor associated with objectref. If as a result the value of the entry count is zero, the thread exits the monitor and is no longer its owner. Other threads that are blocking to enter the monitor are allowed to attempt to do so.

翻譯如下:

  • monitorenter

每一個對象都會和一個監視器monitor關聯。

監視器被占用時會被鎖住,其他線程無法來獲取該monitor。

當JVM執行某個線程的某個方法內部的monitorenter時,它會嘗試去獲取當前對象對應
的monitor的所有權。其過程如下:

  1. 若monior的進入數為0,線程可以進入monitor,並將monitor的進入數置為1。當前線程成為
    monitor的owner(所有者)

  2. 若線程已擁有monitor的所有權,允許它重入monitor,則進入monitor的進入數加1

  3. 若其他線程已經占有monitor的所有權,那麼當前嘗試獲取monitor的所有權的線程會被阻塞,直
    到monitor的進入數變為0,才能重新嘗試獲取monitor的所有權。

  • monitorexit
  1. 能執行monitorexit指令的線程一定是擁有當前對象的monitor的所有權的線程。

  2. 執行monitorexit時會將monitor的進入數減1。當monitor的進入數減為0時,當前線程退出
    monitor,不再擁有monitor的所有權,此時其他被這個monitor阻塞的線程可以嘗試去獲取這個
    monitor的所有權
    monitorexit釋放鎖。
    monitorexit插入在方法結束處和異常處,JVM保證每個monitorenter必須有對應的monitorexit。

tips(重要)

簡單的理解,monitor就是jvm底層的c++代碼中的一個對象ObjectMonitor。

這個對象里有個計數器,來記錄當前對象鎖有沒有人用,用了多少次。

以及一些隊列,存放調度一些需要這把鎖的線程。

關於monitor在c++里的結構,我們下文再詳細說。

總結:

1、synchronized是靠ObjectMonitor來控制鎖的

2、需要這把鎖的線程在monitor的隊列里被各種安排

3、拿到鎖的線程被monitor標記,計數加加,釋放鎖,需要將計數器減減操作

1.3 Monitor詳解

目標:Monitor的位置

file

接下來我們看它的詳細內部結構,以及如何運作的。

1.3.1 Monitor是什麼

目標: 通過JVM虛擬機源碼分析synchronized監視器Monitor到底是什麼

tips:

c++源碼瞭解即可,原理要明白

面試時很重要,面試過去了就不重要!(瞎說什麼大實話)

在HotSpot虛擬機中,monitor監視器是由ObjectMonitor實現的。

構造器代碼src/share/vm/runtime/objectMonitor.hpp

hpp可以include包含cpp的東西,兩者都是c++的代碼

//構造器
ObjectMonitor() {
  _header = NULL;
  _count = 0; 
  _waiters = 0,
  _recursions = 0; // 線程的重入次數
  _object = NULL; 
  _owner = NULL; // 當前線程,拿到鎖的那位
  _WaitSet = NULL; // 等待隊列,調wait的線程在這裡
  _WaitSetLock = 0 ;
  _Responsible = NULL;
  _succ = NULL;
  _cxq = NULL; // 競爭隊列,掙不到鎖先進這裡(可自旋)
  FreeNext = NULL;
  _EntryList = NULL; // 阻塞隊列,來自cxq(調unlock時)或者waitSet(調notify時)
  _SpinFreq = 0;
  _SpinClock = 0;
  OwnerIsThread = 0;
}

留心這三個列表:

1)cxq(競爭列表)

cxq是一個單向鏈表。被掛起線程等待重新競爭鎖的鏈表, monitor 通過CAS將包裝成ObjectWaiter寫入到列表的頭部。為了避免插入和取出元素的競爭,所以Owner會從列表尾部取元素。所以這個東西可以理解為一上來競爭沒拿到鎖的在這裡臨時待一會(1級緩存)。

2)EntryList(鎖候選者列表)

EntryList是一個雙向鏈表。當EntryList為空,cxq不為空,Owener會在unlock時,將cxq中的數據移動到EntryList。並指定EntryList列表頭的第一個線程為OnDeck線程,其他線程就待在裡面。所以這個東西可以認為是二次競爭鎖還沒拿到的(裡面有一個馬上就會拿到)。(2級緩存)

備註:EntryList跟cxq的區別

在cxq中的隊列可以繼續自旋等待鎖,若達到自旋的閾值仍未獲取到鎖則會調用park方法掛起。而EntryList中的線程都是被掛起的線程。

3)WaitList

WatiList是Owner線程地調用wait()方法後進入的線程。進入WaitList中的線程在notify()/notifyAll()調用後會被加入到EntryList。

過程總結:

  • 等待鎖的線程會待在_cxq和entry set隊列中,具體哪個和當前線程取鎖的情況有關
  • entry set的表頭線程獲取到對象的monitor後進入_Owner區域並把monitor中的_owner變數設置為自己,同時monitor中的計數器_count加1
  • 若線程調用wait()方法,將釋放當前持有的monitor,_owner變數恢復為null,_count自減1,同時該線程進入_WaitSet集合中等待被喚醒。
  • 若當前線程執行完畢也將釋放monitor(鎖)並複位變數的值,以便其他線程進入獲取monitor(鎖)。

1.3.2 詳細流程圖(瞭解)

monitorenter

monitorenter指令執行位置:

JVM源碼:src/share/vm/interpreter/interpreterRuntime.cpp

JVM函數入口:InterpreterRuntime::monitorenter

最終調用:src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp中的 ObjectMonitor::enter

file

monitorexit

執行monitorexit指令位置:

代碼文件:src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp

調用函數:ObjectMonitor::exit

file

本文由傳智教育博學谷 - 狂野架構師教研團隊發佈
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