本篇文章主要從字節(jié)碼和JVM底層來分析synchronized實(shí)現(xiàn)原理和鎖升級過程，其中涉及到了簡單認(rèn)識(shí)字節(jié)碼、對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及ObjectMonitor等知識(shí)點(diǎn)。

閱讀本文之前，如果大家對synchronized關(guān)鍵字的基本使用還不是很了解的話，推薦閱讀筆者之前的一遍關(guān)于synchronized關(guān)鍵字使用的文章：

synchronized三種使用方式都不知道還想通過面試，門都沒有

從字節(jié)碼角度分析synchronized實(shí)現(xiàn)

從JVM規(guī)范中可以了解到，無論是synchronized修飾方法(實(shí)例/靜態(tài)方法)還是代碼塊都是基于進(jìn)入(entry)和退出(exit)monitor對象來實(shí)現(xiàn)，但是兩種修飾方式在字節(jié)碼層面實(shí)現(xiàn)上有著很大區(qū)別。下面我們通過javap -verbose XXX.class命令查看class文件信息來具體分析兩者實(shí)現(xiàn)上的差異。

synchronized修飾代碼塊：

程序源碼如下：

源碼截圖

class文件信息如下：

class文件信息截圖

由上面的class信息可以得知，使用synchronized修飾代碼塊會(huì)在同步代碼塊之前加monitorenter指令，同時(shí)在代碼塊正常退出(15行)和異常退出(21行)的地方插入monitorexit指令，從而保證monitorenter和monitorexit的成對執(zhí)行(保證同步代碼塊執(zhí)行結(jié)束的同時(shí)釋放鎖資源)。可以把monitorenter看作lock.lock()，monitorexit看作lock.unlock()，那么monitorenter和monitorexit可以用更加方便理解的偽代碼表示，如下：

偽代碼截圖

synchronized修飾方法：

程序源碼如下：

源碼截圖

class文件信息如下：

class文件信息截圖

由上面的class信息可以得知，synchronized修飾方法并沒有通過插入monitorentry和monitorexit指令來實(shí)現(xiàn)，而是在方法表結(jié)構(gòu)中的訪問標(biāo)志(access_flags)設(shè)置ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)。線程在執(zhí)行方法前先判斷access_flags是否標(biāo)記ACC_SYNCHRONIZED，如果標(biāo)記則在執(zhí)行方法前先去獲取monitor對象，獲取成功則執(zhí)行方法代碼且執(zhí)行完畢后釋放monitor對象，獲取失敗則表示monitor對象被其他線程獲取從而阻塞當(dāng)前線程。

對象頭和MarkWord

說到對象頭，我們需要先整體了解下對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由圖可知對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為：對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、對齊填充(保證8個(gè)字節(jié)的倍數(shù))。對象頭分為對象標(biāo)記(markOop)和類元信息(klassOop)。類元信息存儲(chǔ)的是指向該對象類元數(shù)據(jù)(klass)的首地址，4個(gè)字節(jié)。

對象標(biāo)記(markOop)是我們重要要介紹的，它存儲(chǔ)對象本身運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，如哈希碼、GC標(biāo)記、鎖信息、線程關(guān)聯(lián)等(64位JVM占8個(gè)字節(jié)，32位JVM占4個(gè)字節(jié))，稱為"Mark Word"，存儲(chǔ)格式非規(guī)定與具體JVM實(shí)現(xiàn)有關(guān)。

Hotspot JVM中MarkWord存儲(chǔ)格式如下：

32位存儲(chǔ)格式：

32位存儲(chǔ)格式

64位存儲(chǔ)格式：

64位存儲(chǔ)格式

由MarkWord存儲(chǔ)格式可以了解到JVM可以通過鎖標(biāo)志位來判斷鎖類型，進(jìn)而進(jìn)行處理。注意JDK1.6之前只有重量級鎖的，JDK1.6之后才有了偏向鎖和輕量級鎖，后面鎖升級部分會(huì)詳細(xì)講解。

ObjectMonitor

在JVM的規(guī)范中，有這么一些話：“在JVM中，每個(gè)對象和類在邏輯上都是和一個(gè)監(jiān)視器相關(guān)聯(lián)的，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)視器的排他性監(jiān)視能力，JVM為每一個(gè)對象和類都關(guān)聯(lián)一個(gè)鎖，鎖住了一個(gè)對象，就是獲得對象相關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器”。這里的監(jiān)視器就是指的是ObjectMonitor。

ObjectMonitor在JVM源碼中的定義如下：

ObjectMonitor的JVM源碼

MarkWord中重量級鎖指向的重量級指針就是ObjectMonitor對象指針，是基于操作系統(tǒng)互斥(mutex)實(shí)現(xiàn)的。

synchronized鎖升級和實(shí)現(xiàn)原理

synchronized在修飾方法和代碼塊在字節(jié)碼上實(shí)現(xiàn)方式有很大差異，但是內(nèi)部實(shí)現(xiàn)還是基于對象頭的MarkWord來實(shí)現(xiàn)的。JDK1.6之前synchronized使用的是重量級鎖，JDK1.6之后進(jìn)行了優(yōu)化，擁有了無鎖->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖的升級過程，而不是無論什么情況都使用重量級鎖。

synchronized涉及的鎖歸類

鎖升級的優(yōu)化是針對于不同同步場景進(jìn)行的優(yōu)化，在不存在鎖競爭的時(shí)候進(jìn)入同步方法/代碼塊則使用偏向鎖，存在競爭時(shí)升級為輕量級鎖，輕量級鎖采用的是自旋鎖，如果同步方法/代碼塊執(zhí)行時(shí)間很短的話，采用輕量級鎖雖然會(huì)占用cpu資源但是相對比使用重量級鎖還是更高效的，但是如果同步方法/代碼塊執(zhí)行時(shí)間很長，那么使用輕量級鎖自旋帶來的性能消耗就比使用重量級鎖更嚴(yán)重，這時(shí)候就需要升級為重量級鎖。

MarkWord結(jié)構(gòu)和鎖特征

下面結(jié)合上圖所示的MarkWord對幾種鎖類型進(jìn)行介紹：

• 無鎖：MarkWord標(biāo)志位01，沒有線程執(zhí)行同步方法/代碼塊時(shí)的狀態(tài)。
• 偏向鎖：MarkWord標(biāo)志位01(和無鎖標(biāo)志位一樣)。偏向鎖是通過在bitfields中通過CAS設(shè)置當(dāng)前正在執(zhí)行的ThreadID來實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)線程A獲取偏向鎖執(zhí)行代碼塊(即對象頭設(shè)置了ThreadA_ID)，線程A同步塊未執(zhí)行結(jié)束時(shí)，線程B通過CAS嘗試設(shè)置ThreadB_ID會(huì)失敗，因?yàn)榇嬖阪i競爭情況，這時(shí)候就需要升級為輕量級鎖。注：偏向鎖是針對于不存在資源搶占情況時(shí)候使用的鎖，如果被synchronized修飾的方法/代碼塊競爭線程多可以通過禁用偏向鎖來減少一步鎖升級過程?？梢酝ㄟ^JVM參數(shù)-XX:-UseBiasedLocking = false來關(guān)閉偏向鎖。
• 輕量級鎖：MarkWord標(biāo)志位00。輕量級鎖是采用自旋鎖的方式來實(shí)現(xiàn)的，自旋鎖分為固定次數(shù)自旋鎖和自適應(yīng)自旋鎖。 輕量級鎖是針對競爭鎖對象線程不多且線程持有鎖時(shí)間不長的場景, 因?yàn)樽枞€程需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，代價(jià)很大，如果一個(gè)剛剛阻塞不久就被釋放代價(jià)有大。具體實(shí)現(xiàn)和升級為重量級鎖過程：線程A獲取輕量級鎖時(shí)會(huì)把對象頭中的MarkWord復(fù)制一份到線程A的棧幀中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間DisplacedMarkWord，然后使用CAS將對象頭中的內(nèi)容替換成線程A存儲(chǔ)DisplacedMarkWord的地址。如果這時(shí)候出現(xiàn)線程B來獲取鎖，線程B也跟線程A同樣復(fù)制對象頭的MarkWord到自己的DisplacedMarkWord中，如果線程A鎖還沒釋放，這時(shí)候那么線程B的CAS操作會(huì)失敗，會(huì)繼續(xù)自旋，當(dāng)然不可能讓線程B一直自旋下去，自旋到一定次數(shù)(固定次數(shù)/自適應(yīng))就會(huì)升級為重量級鎖。
• 重量級鎖：通過對象內(nèi)部監(jiān)視器(monitor)實(shí)現(xiàn)，monitor本質(zhì)前面也提到了是基于操作系統(tǒng)互斥(mutex)實(shí)現(xiàn)的，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間切換需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)切換，成本非常高。

注：鎖只可以升級不可以降級，但是偏向鎖可以被重置為無鎖狀態(tài)。

最后，附上一張關(guān)于synchronized鎖升級流程圖(很全面很牛)：

作者收藏很久的，synchronized鎖升級流程圖(很全面很牛)

注：由于文章中上傳的圖片會(huì)被壓縮，清晰度受到影響，可以關(guān)注并私信作者"鎖升級"獲取synchronized鎖升級流程圖(高清版)。

END

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的在c#中用mutex类实现线程的互斥_面试官经常问的synchronized实现原理和锁升级过程，你真的了解吗...的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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