极客时间已完结课程限时免费阅读

第16讲 | synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

第16讲 | synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？-极客时间

第16讲 | synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

2018-06-12 杨晓峰 来自北京
《Java核心技术面试精讲》
课程介绍

讲述：黄洲君

时长11:03大小5.06M

我在上一讲对比和分析了 synchronized 和 ReentrantLock，算是专栏进入并发编程阶段的热身，相信你已经对线程安全，以及如何使用基本的同步机制有了基础，今天我们将深入了解 synchronize 底层机制，分析其他锁实现和应用场景。
今天我要问你的问题是 ，synchronized 底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

典型回答

在回答这个问题前，先简单复习一下上一讲的知识点。synchronized 代码块是由一对儿 monitorenter/monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现单元。
在 Java 6 之前，Monitor 的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。
现代的（Oracle）JDK 中，JVM 对此进行了大刀阔斧地改进，提供了三种不同的 Monitor 实现，也就是常说的三种不同的锁：偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。
所谓锁的升级、降级，就是 JVM 优化 synchronized 运行的机制，当 JVM 检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现，这种切换就是锁的升级、降级。
当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM 会利用 CAS 操作（compare and swap），在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。
如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM 就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。
我注意到有的观点认为 Java 不会进行锁降级。实际上据我所知，锁降级确实是会发生的，当 JVM 进入安全点（SafePoint）的时候，会检查是否有闲置的 Monitor，然后试图进行降级。

考点分析

今天的问题主要是考察你对 Java 内置锁实现的掌握，也是并发的经典题目。我在前面给出的典型回答，涵盖了一些基本概念。如果基础不牢，有些概念理解起来就比较晦涩，我建议还是尽量理解和掌握，即使有不懂的也不用担心，在后续学习中还会逐步加深认识。
我个人认为，能够基础性地理解这些概念和机制，其实对于大多数并发编程已经足够了，毕竟大部分工程师未必会进行更底层、更基础的研发，很多时候解决的是知道与否，真正的提高还要靠实践踩坑。
后面我会进一步分析：
从源码层面，稍微展开一些 synchronized 的底层实现，并补充一些上面答案中欠缺的细节，有同学反馈这部分容易被问到。如果你对 Java 底层源码有兴趣，但还没有找到入手点，这里可以成为一个切入点。
理解并发包中 java.util.concurrent.lock 提供的其他锁实现，毕竟 Java 可不是只有 ReentrantLock 一种显式的锁类型，我会结合代码分析其使用。

知识扩展

我在上一讲提到过 synchronized 是 JVM 内部的 Intrinsic Lock，所以偏斜锁、轻量级锁、重量级锁的代码实现，并不在核心类库部分，而是在 JVM 的代码中。
Java 代码运行可能是解释模式也可能是编译模式（如果不记得，请复习专栏第 1 讲），所以对应的同步逻辑实现，也会分散在不同模块下，比如，解释器版本就是：
src/hotspot/share/interpreter/interpreterRuntime.cpp
为了简化便于理解，我这里会专注于通用的基类实现：
src/hotspot/share/runtime/
另外请注意，链接指向的是最新 JDK 代码库，所以可能某些实现与历史版本有所不同。
首先，synchronized 的行为是 JVM runtime 的一部分，所以我们需要先找到 Runtime 相关的功能实现。通过在代码中查询类似“monitor_enter”或“Monitor Enter”，很直观的就可以定位到：
sharedRuntime.cpp/hpp，它是解释器和编译器运行时的基类。
synchronizer.cpp/hpp，JVM 同步相关的各种基础逻辑。
在 sharedRuntime.cpp 中，下面代码体现了 synchronized 的主要逻辑。
Handle h_obj(THREAD, obj);
if (UseBiasedLocking) {
// Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, lock, true, CHECK);
} else {
ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, lock, CHECK);
}
其实现可以简单进行分解：
UseBiasedLocking 是一个检查，因为，在 JVM 启动时，我们可以指定是否开启偏斜锁。
偏斜锁并不适合所有应用场景，撤销操作（revoke）是比较重的行为，只有当存在较多不会真正竞争的 synchronized 块儿时，才能体现出明显改善。实践中对于偏斜锁的一直是有争议的，有人甚至认为，当你需要大量使用并发类库时，往往意味着你不需要偏斜锁。从具体选择来看，我还是建议需要在实践中进行测试，根据结果再决定是否使用。
还有一方面是，偏斜锁会延缓 JIT 预热的进程，所以很多性能测试中会显式地关闭偏斜锁，命令如下：
-XX:-UseBiasedLocking
fast_enter 是我们熟悉的完整锁获取路径，slow_enter 则是绕过偏斜锁，直接进入轻量级锁获取逻辑。
那么 fast_enter 是如何实现的呢？同样是通过在代码库搜索，我们可以定位到 synchronizer.cpp。 类似 fast_enter 这种实现，解释器或者动态编译器，都是拷贝这段基础逻辑，所以如果我们修改这部分逻辑，要保证一致性。这部分代码是非常敏感的，微小的问题都可能导致死锁或者正确性问题。
void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock,
bool attempt_rebias, TRAPS) {
if (UseBiasedLocking) {
if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
BiasedLocking::Condition cond = BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);
if (cond == BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {
return;
}
} else {
assert(!attempt_rebias, "can not rebias toward VM thread");
BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
}
assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
}
slow_enter(obj, lock, THREAD);
}
我来分析下这段逻辑实现：
biasedLocking定义了偏斜锁相关操作，revoke_and_rebias 是获取偏斜锁的入口方法，revoke_at_safepoint 则定义了当检测到安全点时的处理逻辑。
如果获取偏斜锁失败，则进入 slow_enter。
这个方法里面同样检查是否开启了偏斜锁，但是从代码路径来看，其实如果关闭了偏斜锁，是不会进入这个方法的，所以算是个额外的保障性检查吧。
另外，如果你仔细查看synchronizer.cpp里，会发现不仅仅是 synchronized 的逻辑，包括从本地代码，也就是 JNI，触发的 Monitor 动作，全都可以在里面找到（jni_enter/jni_exit）。
关于biasedLocking的更多细节我就不展开了，明白它是通过 CAS 设置 Mark Word 就完全够用了，对象头中 Mark Word 的结构，可以参考下图：
顺着锁升降级的过程分析下去，偏斜锁到轻量级锁的过程是如何实现的呢？
我们来看看 slow_enter 到底做了什么。
void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
markOop mark = obj->mark();
if (mark->is_neutral()) {
// 将目前的Mark Word复制到Displaced Header上
lock->set_displaced_header(mark);
// 利用CAS设置对象的Mark Word
if (mark == obj()->cas_set_mark((markOop) lock, mark)) {
TEVENT(slow_enter: release stacklock);
return;
}
// 检查存在竞争
} else if (mark->has_locker() &&
THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
// 清除
lock->set_displaced_header(NULL);
return;
}
// 重置Displaced Header
lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
ObjectSynchronizer::inflate(THREAD,
obj(),
inflate_cause_monitor_enter)->enter(THREAD);
}
请结合我在代码中添加的注释，来理解如何从试图获取轻量级锁，逐步进入锁膨胀的过程。你可以发现这个处理逻辑，和我在这一讲最初介绍的过程是十分吻合的。
设置 Displaced Header，然后利用 cas_set_mark 设置对象 Mark Word，如果成功就成功获取轻量级锁。
否则 Displaced Header，然后进入锁膨胀阶段，具体实现在 inflate 方法中。
今天就不介绍膨胀的细节了，我这里提供了源代码分析的思路和样例，考虑到应用实践，再进一步增加源代码解读意义不大，有兴趣的同学可以参考我提供的synchronizer.cpp链接，例如：
deflate_idle_monitors 是分析锁降级逻辑的入口，这部分行为还在进行持续改进，因为其逻辑是在安全点内运行，处理不当可能拖长 JVM 停顿（STW，stop-the-world）的时间。
fast_exit 或者 slow_exit 是对应的锁释放逻辑。
前面分析了 synchronized 的底层实现，理解起来有一定难度，下面我们来看一些相对轻松的内容。 我在上一讲对比了 synchronized 和 ReentrantLock，Java 核心类库中还有其他一些特别的锁类型，具体请参考下面的图。
你可能注意到了，这些锁竟然不都是实现了 Lock 接口，ReadWriteLock 是一个单独的接口，它通常是代表了一对儿锁，分别对应只读和写操作，标准类库中提供了再入版本的读写锁实现（ReentrantReadWriteLock），对应的语义和 ReentrantLock 比较相似。
StampedLock 竟然也是个单独的类型，从类图结构可以看出它是不支持再入性的语义的，也就是它不是以持有锁的线程为单位。
为什么我们需要读写锁（ReadWriteLock）等其他锁呢？
这是因为，虽然 ReentrantLock 和 synchronized 简单实用，但是行为上有一定局限性，通俗点说就是“太霸道”，要么不占，要么独占。实际应用场景中，有的时候不需要大量竞争的写操作，而是以并发读取为主，如何进一步优化并发操作的粒度呢？
Java 并发包提供的读写锁等扩展了锁的能力，它所基于的原理是多个读操作是不需要互斥的，因为读操作并不会更改数据，所以不存在互相干扰。而写操作则会导致并发一致性的问题，所以写线程之间、读写线程之间，需要精心设计的互斥逻辑。
下面是一个基于读写锁实现的数据结构，当数据量较大，并发读多、并发写少的时候，能够比纯同步版本凸显出优势。
public class RWSample {
private final Map<String, String> m = new TreeMap<>();
private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
private final Lock r = rwl.readLock();
private final Lock w = rwl.writeLock();
public String get(String key) {
r.lock();
System.out.println("读锁锁定！");
try {
return m.get(key);
} finally {
r.unlock();
}
}
public String put(String key, String entry) {
w.lock();
System.out.println("写锁锁定！");
try {
return m.put(key, entry);
} finally {
w.unlock();
}
}
// …
}
在运行过程中，如果读锁试图锁定时，写锁是被某个线程持有，读锁将无法获得，而只好等待对方操作结束，这样就可以自动保证不会读取到有争议的数据。
读写锁看起来比 synchronized 的粒度似乎细一些，但在实际应用中，其表现也并不尽如人意，主要还是因为相对比较大的开销。
所以，JDK 在后期引入了 StampedLock，在提供类似读写锁的同时，还支持优化读模式。优化读基于假设，大多数情况下读操作并不会和写操作冲突，其逻辑是先试着读，然后通过 validate 方法确认是否进入了写模式，如果没有进入，就成功避免了开销；如果进入，则尝试获取读锁。请参考我下面的样例代码。
public class StampedSample {
private final StampedLock sl = new StampedLock();
void mutate() {
long stamp = sl.writeLock();
try {
write();
} finally {
sl.unlockWrite(stamp);
}
}
Data access() {
long stamp = sl.tryOptimisticRead();
Data data = read();
if (!sl.validate(stamp)) {
stamp = sl.readLock();
try {
data = read();
} finally {
sl.unlockRead(stamp);
}
}
return data;
}
// …
}
注意，这里的 writeLock 和 unLockWrite 一定要保证成对调用。
你可能很好奇这些显式锁的实现机制，Java 并发包内的各种同步工具，不仅仅是各种 Lock，其他的如Semaphore、CountDownLatch，甚至是早期的FutureTask等，都是基于一种AQS框架。
今天，我全面分析了 synchronized 相关实现和内部运行机制，简单介绍了并发包中提供的其他显式锁，并结合样例代码介绍了其使用方法，希望对你有所帮助。

一课一练

关于今天我们讨论的你做到心中有数了吗？思考一个问题，你知道“自旋锁”是做什么的吗？它的使用场景是什么？
请你在留言区写写你对这个问题的思考，我会选出经过认真思考的留言，送给你一份学习奖励礼券，欢迎你与我一起讨论。
你的朋友是不是也在准备面试呢？你可以“请朋友读”，把今天的题目分享给好友，或许你能帮到他。
分享给需要的人，Ta购买本课程，你将得18元
生成海报并分享

赞 30

提建议

© 版权归极客邦科技所有，未经许可不得传播售卖。 页面已增加防盗追踪，如有侵权极客邦将依法追究其法律责任。
上一篇
第15讲 | synchronized和ReentrantLock有什么区别呢？
下一篇
第17讲 | 一个线程两次调用start()方法会出现什么情况？
unpreview
 写留言

精选留言(69)

  • 公号-技术夜未眠
    2018-06-12
    自旋锁:竞争锁的失败的线程，并不会真实的在操作系统层面挂起等待，而是JVM会让线程做几个空循环(基于预测在不久的将来就能获得)，在经过若干次循环后，如果可以获得锁，那么进入临界区，如果还不能获得锁，才会真实的将线程在操作系统层面进行挂起。 适用场景:自旋锁可以减少线程的阻塞，这对于锁竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说，有较大的性能提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起操作的消耗。 如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，就不适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用cpu做无用功，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，造成cpu的浪费。
    展开

    作者回复: 不错，自旋是种乐观情况的优化

    共 2 条评论
    184
  • yearning
    2018-06-12
    这次原理真的看了很久，一直鼓劲自己，看不懂就是说明自己有突破。 下面看了并发编程对于自旋锁的了解，同时更深刻理解同步锁的性能。 自旋锁采用让当前线程不停循环体内执行实现，当循环条件被其他线程改变时，才能进入临界区。 由于自旋锁只是将当前线程不停执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应会更快。但当线程不停增加时，性能下降明显。 线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。 为什么会提出自旋锁，因为互斥锁，在线程的睡眠和唤醒都是复杂而昂贵的操作，需要大量的CPU指令。如果互斥仅仅被锁住是一小段时间， 用来进行线程休眠和唤醒的操作时间比睡眠时间还长，更有可能比不上不断自旋锁上轮询的时间长。 当然自旋锁被持有的时间更长，其他尝试获取自旋锁的线程会一直轮询自旋锁的状态。这将十分浪费CPU。 在单核CPU上，自旋锁是无用，因为当自旋锁尝试获取锁不成功会一直尝试，这会一直占用CPU，其他线程不可能运行， 同时由于其他线程无法运行，所以当前线程无法释放锁。 混合型互斥锁， 在多核系统上起初表现的像自旋锁一样， 如果一个线程不能获取互斥锁， 它不会马上被切换为休眠状态，在一段时间依然无法获取锁，进行睡眠状态。 混合型自旋锁，起初表现的和正常自旋锁一样，如果无法获取互斥锁，它也许会放弃该线程的执行，并允许其他线程执行。 切记，自旋锁只有在多核CPU上有效果，单核毫无效果，只是浪费时间。 以上基本参考来源于： http://ifeve.com/java_lock_see1/ http://ifeve.com/practice-of-using-spinlock-instead-of-mutex/
    展开

    作者回复: 很不错总结

    共 4 条评论
    78
  • jacy
    2018-06-19
    看了大家对自旋锁的评论，我的收获如下: 1.基于乐观情况下推荐使用，即锁竞争不强，锁等待时间不长的情况下推荐使用 2.单cpu无效，因为基于cas的轮询会占用cpu,导致无法做线程切换 3.轮询不产生上下文切换，如果可估计到睡眠的时间很长，用互斥锁更好

    作者回复: 不错

    共 4 条评论
    34
  • sunlight001
    2018-06-12
    自旋锁是尝试获取锁的线程不会立即阻塞，采用循环的方式去获取锁，好处是减少了上下文切换，缺点是消耗cpu

    作者回复: 不错

    30
  • Roysatm
    2019-02-17
    1.synchronized锁，可分为偏向锁、轻量级锁、重量级锁。在jvm没有显示关闭偏向锁的情况下，初始状态时默认是偏向锁时， 线程请求先通过CAS替换mark word中threadId,如果替换成功则该线程持有当前锁。如果替换失败，锁会升级为轻量级锁， 线程请求会尝试CAS替换mark word中指向栈中锁记录的指针，如果替换成功则该线程持有当前锁。 如果替换失败，当前线程会自旋一定次数，继续尝试获取CAS替换，如果超过一定自旋次数，锁升级为重量级锁。 synchronized锁是调用系统内核互斥锁实现的，线程在获取synchronized锁失败后，也会进入一个等待获取锁队列中（系统内核实现的）， 线程会由运行态切换到阻塞态，让出CPU，待其他线程释放锁后唤醒它。 synchronize锁重（1.6之后jvm有优化）就是重在两点，一是调用内核互斥锁实现，二是线程获取锁失败会变成阻塞态，让出CPU，等待唤醒（有一定的上下文切换）
    展开
    共 3 条评论
    25
  • Miaozhe
    2018-06-12
    杨老师，偏斜锁有什么作用？还是没有看明白，如果只是被一个线程获取，那么锁还有什么意义？ 另外，如果我有两个线程明确定义调用同一个对象的Synchronized块，JVM默认肯定先使用偏斜锁，之后在升级到轻量级所，必须经过撤销Revoke吗？编译的时候不会自动优化？

    作者回复: 我理解偏斜锁就是为了优化那些没有并发却写了同步逻辑的代码；javac编译时能判断的是有限的；一旦有另外线程想获取，就会revoke，而且开销明显

    共 2 条评论
    23
  • 陈一嘉
    2018-06-12
    自旋锁 for(;;)结合cas确保线程获取取锁

    作者回复: 差不多

    13
  • 苦行僧
    2019-02-18
    轻量级锁和重量级锁没有详细说明和区别，仅从名字不好区别
    共 1 条评论
    7
  • stephen chow
    2018-10-01
    StampLock是先试着读吧？你写的先试着修改。。

    作者回复: 嗯，是有点写跑偏了，看上下文倒也能理解，谢谢指出

    7
  • 灰飞灰猪不会灰飞.烟...
    2018-06-12
    老师 AQS就不涉及用户态和内核态的切换了 对吧？

    作者回复: 我理解是，cas是基于特定指令

    7
  • 刘杰
    2018-07-12
    偏斜锁和轻量级锁的区别不是很清晰
    5
  • Miaozhe
    2018-06-13
    关于自旋转锁不适合单核CPU的问题，下来查找了一下资料: 1.JVM在操作系统中是作为一个进程存在，但是OS一般都将将线程作为最小调度单位，进程是资源分配的最小单位。这就是说进程是不活动的，只是作为线程的容器，那么Java的线程是在JVM进程中，也被CPU调度。 2.单核CPU使用多线程时，一个线程被CPU执行，其它处于等待轮巡状态。 3.为什么多线程跑在单核CPU上也比较快呢？是由于这种线程还有其它IO操作(File,Socket)，可以跟CPU运算并行。 4.结论，根据前面3点的分析，与自旋转锁的优点冲突：线程竞争不激烈，占用锁时间短。
    展开

    作者回复: 自旋是基于乐观假设，就是等待中锁被释放了，单核cpu就自己占着cpu，别人没机会让

    4
  • Miaozhe
    2018-06-13
    杨老师，看到有回复说自旋锁在单核CPU上是无用，感觉这个理论不准确，因为Java多线程在很早时候单核CPC的PC上就能运行，计算机原理中也介绍，控制器会轮巡各个进程或线程。而且多线程是运行在JVM上，跟物理机没有很直接的关系吧？

    作者回复: 已回复，我也认为单核无用

    4
  • Jerry银银
    2019-02-02
    『其逻辑是先试着修改，然后通过 validate 方法确认是否...』 这里面先试着修改写错了，小编帮忙改下吧，应该是：『其逻辑是先试着读，然后....』 我看到留言中，有其它同学早就提出了，但是一直没有被修正。。。。

    作者回复: 谢谢指出

    3
  • 大熊
    2018-10-16
    老师，请问下为什么要有读锁？读不会改变数据为什么还要加锁呢

    作者回复: 针对不同场景，例如，并发读比写多，比较适合readwritelock；readlock不是排他的（exclusive），保证看到的data是更新过的

    共 2 条评论
    3
  • clz1341521
    2018-08-05
    自旋锁是一种乐观优化 自旋锁:竞争锁的失败的线程，并不会真实的在操作系统层面挂起等待，而是JVM会让线程做几个空循环(基于预测在不久的将来就能获得)，在经过若干次循环后，如果可以获得锁，那么进入临界区，如果还不能获得锁，才会真实的将线程在操作系统层面进行挂起。 适用场景:自旋锁可以减少线程的阻塞，这对于锁竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说，有较大的性能提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起操作的消耗。
    展开
    2
  • 剑八
    2020-12-27
    syncronized为了性能优化按场景将锁分为几个阶段： 无锁，偏向锁，轻量级，重量级 相应的应用场景也是从竞争无，竞争少，竞争多 同步加锁都是在对象上的，相应信息也是在对象的MARK WORD上 偏向锁是在有一个线程获取锁时直接在对应锁对象的MARK WORD上设置当前为偏向锁模式及对应的偏向锁线程ID 偏向锁到轻量级的切换是2个及以上线程发生了竞争，如果竞争的线程CAS能替换获取到锁，则进入轻量级锁，否则进入重量级锁 轻量级锁有线程在获取锁时使用CAS自旋 进入重量级锁则获取不到锁的线程就会进入到系统挂起的状态了，涉及到用户态到系统态的切换 这里涉及到JAVA的线程模型是与操作系统线程一对一的
    展开
    1
  • rong
    2019-09-04
    老师，有个问题不明白，就是锁代码块的时候，只有一个monitorenter指令，那怎么知道这个锁绑定的是哪个对象呢？比如我自定义了Person类，他的实例person，@synchronized（person），我看到字节码中只有monitorenter，没看到他和person对象的绑定关系啊？
    共 2 条评论
    2
  • 张天屹
    2019-04-01
    自旋锁我理解了，但是没用过，请问其对于Java来说是jdk提供的api还是JVM层面的实现，还是OS层面的实现呢？
    1
  • 钱
    2018-12-15
    自旋锁，之前知乎上看过一个比喻，一辆车遇到红灯，一看还有5秒就变绿了，那就不熄火等一下。发动机类比CPU，先占一会，就能获取锁（绿灯），如果要等5分钟，就熄火等待，时间到了再打火成本也合算。 恩，还是回到，锁本质的问题上来理解锁吧！ 锁-本质就是一种多线程同步机制，各种锁华丽花哨的是对锁特征的描述。 本节需要扩充，然后多看几遍。
    展开
    1