Java?Synchronize底層原理總結(jié)

更新時(shí)間：2023年06月14日 08:43:24 作者：EzreaLwj

這篇文章主要給大家總結(jié)了Java?Synchronize底層原理，文中的圖文講解介紹的非常詳細(xì)，對(duì)我們學(xué)習(xí)Java?Synchronize有一定的幫助,需要的朋友可以參考下

對(duì)象內(nèi)存結(jié)構(gòu)

對(duì)象頭：MarkWord 存儲(chǔ)對(duì)象頭的信息，Klass Word 描述對(duì)象實(shí)例的具體類型

實(shí)例數(shù)據(jù)：成員變量

對(duì)齊填充：如果對(duì)象頭 + 實(shí)例變量不是 8 的整數(shù)倍，則通過對(duì)齊填充補(bǔ)齊

MarkWord 解析

hashcode：25位的對(duì)象標(biāo)識(shí)Hash碼
age：對(duì)象分代年齡占4位
biased_lock：偏向鎖標(biāo)識(shí)，占1位，0表示沒有開始偏向鎖，1表示開啟了偏向鎖
thread：持有偏向鎖的線程ID,占23位
epoch：偏向時(shí)間戳，占2位
ptr_to_lock_record：輕量級(jí)鎖狀態(tài)下，指向棧中鎖記錄的指針，占30位
ptr_to_heavyweight_monitor：重量級(jí)鎖狀態(tài)下，指向?qū)ο蟊O(jiān)視器Monitor的指針，占30位

LockRecord 鎖記錄

Markword：記錄鎖記錄的地址

對(duì)象引用：引用被加上鎖了的對(duì)象

重量級(jí)鎖

Monitor

Monitor 監(jiān)視器，是由 jvm 提供的，由 C++ 實(shí)現(xiàn)的，有三個(gè)實(shí)現(xiàn)部分

WaitSet：調(diào)用了 wait 方法的線程在這里等待，處于 WAITED 狀態(tài)

EntryList：沒有搶到對(duì)象鎖的線程在這里等待，處于 BLOCKED 狀態(tài)

Owner：存儲(chǔ)已經(jīng)搶到鎖的線程對(duì)象

Monitor 的實(shí)現(xiàn)屬于重量級(jí)鎖，涉及到 內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)的切換，線程的上下文切換，每個(gè) Java 對(duì)象都會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè) Monitor 對(duì)象，如果使用 Synchronize 給該對(duì)象加鎖，那么 Java 對(duì)象上面的 MarkWord 地址就被設(shè)置為指向該 Monitor 對(duì)象的指針

輕量級(jí)鎖

加鎖流程：

在線程棧中創(chuàng)建一個(gè) Lock Record 對(duì)象，它的 object reference 字段指向鎖對(duì)象
通過 CAS 指令把 Lock Record 的地址存放到對(duì)象頭的 Markword 中，如果是無鎖狀態(tài)則修改成功，代表該線程獲取了輕量級(jí)鎖
如果當(dāng)前線程已經(jīng)持有該鎖，就代表是一次鎖重入，設(shè)置 Lock Record 的第一部分為 null，起到一個(gè)重入計(jì)數(shù)器的作用
如果 CAS 修改失敗，則說明發(fā)生了競爭，需要膨脹為重量級(jí)鎖

解鎖過程：

遍歷線程棧，找到所有 object reference 字段等于當(dāng)前鎖對(duì)象的 Lock record
如果 Lock record 的 MarkWord 為 null，代表這是一次重入，將 obj 設(shè)置為 null 后 continue 即可
如果 Lock record 的 Markword 不為 null，則利用 CAS 指令將對(duì)象頭的 markword 與對(duì)象對(duì)象頭的 markword 進(jìn)行替換，如果成功則恢復(fù)為無鎖狀態(tài)，如果失敗則膨脹為重量級(jí)鎖

Markword 記錄

開始時(shí)的狀態(tài)

替換后的狀態(tài)

偏向鎖

背景：輕量級(jí)鎖在沒有競爭的時(shí)候，每次重入都需要進(jìn)行 CAS 操作

Java 6 中引入偏向鎖來做進(jìn)一步的優(yōu)化：只有第一次操才使用 CAS 將線程 ID 設(shè)置到對(duì)象的 markword 頭，之后發(fā)現(xiàn)這個(gè)線程 ID 是自己就不會(huì)產(chǎn)生競爭，不用重新 CAS，以后只要不發(fā)生競爭，這個(gè)對(duì)象就歸這個(gè)線程所有

代碼示例：

public class Thread5 {
    private static final Object object = new Object();
    public static void method1() {
        synchronized (object) {
            method2();
        }
    }
    public static void method2() {
        synchronized (object) {
            method3();
        }
    }
    public static void method3() {
        synchronized (object) {
        }
    }
}

總結(jié)

Java 中的 Synchronize 有偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖三種形式，分別對(duì)應(yīng)了鎖只被一個(gè)線程持有、不同線程交替持有鎖、多線程競爭的情況

重量級(jí)鎖：底層使用 Monitor 實(shí)現(xiàn)，里面涉及到了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換、進(jìn)程的上下文切換，成本較高，性能比較低

輕量級(jí)鎖：線程加鎖時(shí)間是錯(cuò)開的（也就是沒有競爭），可以用輕量級(jí)鎖來優(yōu)化，輕量級(jí)修改了對(duì)象頭的鎖標(biāo)志，相對(duì)重量級(jí)鎖性能提升了許多，每次修改都是 CAS 操作，保證原子性

偏向鎖：一段很長的時(shí)間內(nèi)都只被一個(gè)線程使用鎖，可以使用偏向鎖，第一次獲得鎖時(shí)，會(huì)有一個(gè) CAS 操作，之后該線程再獲取鎖，只需要判斷 mark word 中是否是自己的線程 id 即可，而不是開銷相對(duì)較大的 CAS 命令

以上就是Java Synchronize底層原理總結(jié)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java Synchronize底層原理的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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