JVM学习笔记11：synchronized的实现

synchronized作用于代码块与函数

• 当声明 synchronized 代码块时，编译而成的字节码将包含 monitorenter 和 monitorexit 指令。这两种指令均会消耗操作数栈上的一个引用类型的元素（也就是 synchronized 关键字括号里的引用），作为所要加锁解锁的锁对象。

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public void foo(Object lock) {
   synchronized (lock) {
     lock.hashCode();
   }
 }
 // 上面的 Java 代码将编译为下面的字节码
 public void foo(java.lang.Object);
   Code:
      0: aload_1
      1: dup
      2: astore_2
      3: monitorenter
      4: aload_1
      5: invokevirtual java/lang/Object.hashCode:()I
      8: pop
      9: aload_2
     10: monitorexit
     11: goto          19
     14: astore_3
     15: aload_2
     16: monitorexit
     17: aload_3
     18: athrow
     19: return
   Exception table:
      from    to  target type
          4    11    14   any
         14    17    14   any

• 当用 synchronized 标记方法时，会看到字节码中方法的访问标记包括 ACC_SYNCHRONIZED。该标记表示在进入该方法时，Java 虚拟机需要进行 monitorenter 操作。而在退出该方法时，不管是正常返回，还是向调用者抛异常，Java 虚拟机均需要进行 monitorexit 操作。

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public synchronized void foo(Object lock) {
    lock.hashCode();
  }
  // 上面的 Java 代码将编译为下面的字节码
  public synchronized void foo(java.lang.Object);
    descriptor: (Ljava/lang/Object;)V
    flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=2
         0: aload_1
         1: invokevirtual java/lang/Object.hashCode:()I
         4: pop
         5: return

monitorenter 和 monitorexit

• 这里 monitorenter 和 monitorexit 操作所对应的锁对象是隐式的。对于实例方法来说，这两个操作对应的锁对象是 this；对于静态方法来说，这两个操作对应的锁对象则是所在类的 Class 实例。
• 关于 monitorenter 和 monitorexit 的作用，我们可以抽象地理解为每个锁对象拥有一个锁计数器和一个指向持有该锁的线程的指针。

关于 monitorenter 和 monitorexit 的作用，我们可以抽象地理解为每个锁对象拥有一个锁计数器和一个指向持有该锁的线程的指针。

当执行 monitorenter 时，如果目标锁对象的计数器为 0，那么说明它没有被其他线程所持有。在这个情况下，Java 虚拟机会将该锁对象的持有线程设置为当前线程，并且将其计数器加 1。

在目标锁对象的计数器不为 0 的情况下，如果锁对象的持有线程是当前线程，那么 Java 虚拟机可以将其计数器加 1，否则需要等待，直至持有线程释放该锁。

当执行 monitorexit 时，Java 虚拟机则需将锁对象的计数器减 1。当计数器减为 0 时，那便代表该锁已经被释放掉了。

之所以采用这种计数器的方式，是为了允许同一个线程重复获取同一把锁。举个例子，如果一个 Java 类中拥有多个 synchronized 方法，那么这些方法之间的相互调用，不管是直接的还是间接的，都会涉及对同一把锁的重复加锁操作。因此，我们需要设计这么一个可重入的特性，来避免编程里的隐式约束。

HotSpot 虚拟机中具体的锁实现

重量级锁

• 重量级锁是 Java 虚拟机中最为基础的锁实现。在这种状态下，Java 虚拟机会阻塞加锁失败的线程，并且在目标锁被释放的时候，唤醒这些线程。
• Java 线程的阻塞以及唤醒，都是依靠操作系统来完成的。
• 为了尽量避免昂贵的线程阻塞、唤醒操作，Java 虚拟机会在线程进入阻塞状态之前，以及被唤醒后竞争不到锁的情况下，进入自旋状态，在处理器上空跑并且轮询锁是否被释放。如果此时锁恰好被释放了，那么当前线程便无须进入阻塞状态，而是直接获得这把锁。
• 与线程阻塞相比，自旋状态可能会浪费大量的处理器资源。这是因为当前线程仍处于运行状况，只不过跑的是无用指令。它期望在运行无用指令的过程中，锁能够被释放出来。
• 自旋状态还带来另外一个副作用，那便是不公平的锁机制。处于阻塞状态的线程，并没有办法立刻竞争被释放的锁。然而，处于自旋状态的线程，则很有可能优先获得这把锁。

轻量级锁

• 多个线程在不同的时间段请求同一把锁，也就是说没有锁竞争。针对这种情形，Java 虚拟机采用了轻量级锁，来避免重量级锁的阻塞以及唤醒。

• 下图是openjdk wiki中的图，右边是不支持偏向锁的对象的加锁过程，左边是偏向锁的加锁过程。

轻量锁的执行过程

• 第一行：

  • 对象头中的标记字段（mark word），它的最后两位便被用来表示该对象的锁状态。其中，00 代表轻量级锁，01 代表无锁（或偏向锁），10 代表重量级锁，11 则跟垃圾回收算法的标记有关。

• 第二行：

  • 进行加锁操作时，Java 虚拟机会判断是否已经是重量级锁。如果不是，它会在当前线程的当前栈桢中划出一块空间，作为该锁的锁记录，并且将锁对象的标记字段（和锁对象的指针）复制到该锁记录中。PS：图中的record就是这个锁对象
  • 然后，Java 虚拟机会尝试用 CAS（compare-and-swap）操作替换锁对象的标记字段。这里解释一下，CAS 是一个原子操作，它会比较目标地址的值是否和期望值相等，如果相等，则替换为一个新的值。
  • 假设当前锁对象的标记字段为 X…XYZ（X…X其实就是前面的那些位数，这里只关注最后两位），Java 虚拟机会比较该字段是否为 X…X01。如果是，则替换为刚才分配的锁记录的地址。由于内存对齐的缘故，它的最后两位为 00。此时，该线程已成功获得这把锁，可以继续执行了。
  • 至此完成了轻量锁的占用。
  • 如果不是 X…X01，那么有两种可能。第一，该线程重复获取同一把锁。此时，Java 虚拟机会将锁记录清零（也就是用0替代原来存的标记字段和指针），以代表该锁被重复获取。PS：图中的recursive lock
  • PS:重复获取同一把锁的话，不是简单地清零，而应该是把0作为一条新的锁记录压入锁记录的栈顶。

• 第三行：

  • 第二，其他线程持有该锁。此时，Java 虚拟机会将这把锁膨胀为重量级锁，并且阻塞当前线程。

• 解锁：

  • 当进行解锁操作时，如果当前锁记录（你可以将一个线程的所有锁记录想象成一个栈结构，每次加锁压入一条锁记录，解锁弹出一条锁记录，当前锁记录指的便是栈顶的锁记录）的值为 0，则代表重复进入同一把锁，直接返回即可。PS：对应recursive lock
  • 否则，Java 虚拟机会尝试用 CAS 操作，比较锁对象的标记字段的值是否为当前锁记录的地址。如果是，则替换为锁记录中的值，也就是锁对象原本的标记字段。此时，该线程已经成功释放这把锁。PS：对应正常的轻量锁
  • 如果不是，则意味着这把锁已经被膨胀为重量级锁。此时，Java 虚拟机会进入重量级锁的释放过程，唤醒因竞争该锁而被阻塞了的线程。

偏向锁

• 如果说轻量级锁针对的情况很乐观，那么接下来的偏向锁针对的情况则更加乐观：从始至终只有一个线程请求某一把锁。

epoch值

• JVM的每个类（类类型）中维护一个 epoch 值，可以理解为第几代偏向锁。当设置偏向锁时，Java 虚拟机需要将该 epoch 值复制到锁对象的标记字段中。

加锁过程

• 在线程进行加锁时，如果该锁对象支持偏向锁，那么 Java 虚拟机会通过 CAS 操作，将当前线程的地址记录在锁对象的标记字段之中，并且将标记字段的最后三位设置为 101。也就是图中右边的操作。

• 在接下来的运行过程中，每当有线程请求这把锁，Java 虚拟机只需判断锁对象标记字段中：最后三位是否为 101，是否包含当前线程的地址，以及锁对象类类型中的epoch 值是否和锁对象的类的 epoch 值相同。如果都满足，那么当前线程持有该偏向锁，可以直接返回。

• 当请求加锁的线程和锁对象标记字段保持的线程地址不匹配时（而且 epoch 值相等，如若不等，那么当前线程可以将该锁重偏向至自己），Java 虚拟机需要撤销该偏向锁。这个撤销过程非常麻烦，它要求持有偏向锁的线程到达安全点，再将偏向锁替换成轻量级锁。也就是图中revoke bias的过程。

• 如果某一类锁对象的总撤销数超过了一个阈值（对应 Java 虚拟机参数 -XX:BiasedLockingBulkRebiasThreshold，默认为 20），那么 Java 虚拟机会宣布这个类的偏向锁失效。

• 在宣布某个类的偏向锁失效时，Java 虚拟机实则将该类的 epoch 值加 1，表示之前那一代的偏向锁已经失效。而新设置的偏向锁则需要复制新的 epoch 值。

• 为了保证当前持有偏向锁并且已加锁的线程不至于因此丢锁，Java 虚拟机需要遍历所有线程的 Java 栈，找出该类已加锁的实例，并且将它们标记字段中的 epoch 值加 1。该操作需要所有线程处于安全点状态。

• 如果总撤销数超过另一个阈值（对应 Java 虚拟机参数 -XX:BiasedLockingBulkRevokeThreshold，默认值为 40），那么 Java 虚拟机会认为这个类已经不再适合偏向锁。此时，Java 虚拟机会撤销该类实例的偏向锁，并且在之后的加锁过程中直接为该类实例设置轻量级锁。

• 总结来说就是偏向锁遇到需要撤销的情况，就先从偏向锁转成轻量级锁。撤销20次后当前的类的偏向锁失效，epoch+1。撤销40次后，被取消作为偏向锁的资格，在用这个对象作为锁对象时直接使用轻量级锁。

补充

• jvm处理synchronized的时候是先将它当轻量级锁处理，然后在一段时间（延缓毫秒数-XX:BiasedLockingStartupDelay）后变成偏向锁，再慢慢膨胀为重量级锁的。但是在Java 9还是10默认值改为0了，也就是说后面是先按照偏向锁处理，在轻量级、重量级。
• 对于轻量级锁，markword本质是一个32位的bit，无锁情况下，末尾是01
  加锁过程只是通过CAS把这32位的bit替换为lockrecord的地址，由于lockrecord地址只有30位，所以末尾补齐32后，末尾是00。
• 轻量级锁通过cas替换锁的标记字段，和标记字段复制到栈中对应的锁记录中这两个操作的先后顺序无所谓。应该是有保护的机制。