『聚合』 面试官:小伙子知道synchronized的优化过程吗?我:嘚吧嘚吧嘚,面试官:出去!

写在开头

面试官:小伙子,多线程中锁用过吗?
我:那是自然!
面试官:那你知道synchronized的优化吗?
我:synchronized作为重锁,开销大,在早期不被推荐使用,后期进行了优化,至于怎么优化的话,您让我想想哈…
面试官:好的,那你出去好好想吧!

对于synchronized的优化,虽然被问到的场景不多,但在很多网友发的面经中发现很多人都会挂在这个点上。

在我们初学锁时,很多人可能都觉得它是一个重量级锁,代码中不建议使用,但其实现如今经过了层层优化后,synchronized被广泛的应用在了JVM源码以及众多开源框架中,我们今天就来一起学习一下synchronized的优化过程!

对象锁的四种状态

首先,我们这里要记住一个Java迭代版本JDK1.6,这个版本对于synchronized来说是划时代的,在此之前,synchronized确实是一种重量级悲观锁,这个时候的它使用起来极耗资源,为所有高效开发者所弊病,但在1.6版本之后,引入了“偏向锁”和“轻量级锁” 的概念,这极大减少了获取synchronized锁和释放锁所需资源,synchronized重获新生!

在此之后,对象的锁便拥有了4种状态,根据锁的级别从低到高可分为:

无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

无锁

无锁其实很好理解,就是没有对共享资源进行任何锁定,所有线程都可以去访问并修改同一资源,但同时只能有一个线程修改成功,其他线程不断尝试直至成功,并会将原内容覆盖。

偏向锁

偏向锁,指的就是偏向第一个加锁线程,对象的代码一直被同一线程执行,不存在多个线程竞争,该线程在后续的执行中自动获取锁,降低获取锁带来的性能开销。

轻量级锁

轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候,被第二个线程 B 所访问,此时偏向锁就会升级为轻量级锁,线程 B 会通过自旋的形式尝试获取锁,线程不会阻塞,从而提高性能。

重量级锁

指当有一个线程获取锁之后,其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

重量级锁通过对象内部的监视器(monitor)实现,而其中 monitor 的本质是依赖于底层操作系统的 Mutex Lock 实现,操作系统实现线程之间的切换需要从用户态切换到内核态,切换成本非常高。所以在没有被优化之前,synchronized这种重量级锁,才不受重视!

对象锁的存储

学习完对象锁的四种状态后,我们继续思考下一个问题,既然对象锁有四种状态,那它们是存储在哪里的呢?

会联想的同学,我想已经猜出了大概,首先在Java中的锁都是基于对象的,既然基于对象,那它存在的地方大概率要在对象中,而我们知道在JVM中,对象分为三个部分对象头、实例数据、字节对齐,其中对象头又由Mark Word和Klass Point构成,而Mark Word(标记字段)用于存储对象自身的运行时数据,例如存储对象的HashCode,分代年龄、锁标志位等信息,是synchronized实现轻量级锁和偏向锁的关键。我们64位虚拟机为例看下图:

当对象状态是偏向锁时,MarkWord中存储了偏向线程的ID,并且将是否偏向标志置为1;当对象状态是轻量级锁时,Mark Word存储的是指向线程栈中Lock Record的指针;当状态为重量级锁时,Mark Word为指向monitor(监视器)对象的指针。

synchronized 锁升级的过程

有了上面的知识储备,我们趁着打铁,来聊一聊synchronized 锁升级的过程,由低到高,逐渐升级。
1️⃣首先,在锁对象的对象头里面有一个 threadid 字段,未访问时 threadid 为空,这时是无锁状态,任何线程都可竞争获取共享资源;
2️⃣ 先得到共享资源的线程,其线程ID会被记录到Mark Word中,此时锁状态为偏向锁;
3️⃣ 当后续还有线程去获取共享资源时,会先判断 threadid 是否与其线程 id 一致。如果一致则可以直接使用此对象;如果不一致,则升级偏向锁为轻量级锁,通过自旋循环一定次数来获取锁;
4️⃣自旋的线程在自旋过程中,成功获得资源(即之前获的资源的线程执行完成并释放了共享资源),则整个状态依然处于 轻量级锁的状态,如果自旋失败 。
5️⃣进入重量级锁的状态,这个时候,自旋的线程进行阻塞,等待之前线程执行完成并唤醒自己。

结尾彩蛋

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