目錄1 字節碼層實現1.1 InterpreterRuntime::monitorenter1.1.1 函數參數 JavaThread *thread1.1.2 函數體 2 偏向鎖 2.1 偏向鎖的意義2.2 偏向鎖的獲取2.2.1 markOop mark = obj->mark()2.2.2 判斷mark是否為可偏向狀態2.2.3 判斷mark中JavaThread的狀態2.2.4 通過CAS原子指令2.2.5 如果執行CAS失敗2.3 偏向鎖的撤銷2.4 輕量級鎖2.4.1 引入輕量級鎖的目的2.4.2 輕量級鎖的獲取總結1 字節碼層實現

javap 生成的字節碼中包含如下指令：

monitorenter monitorexit

synchronized基此實現了簡單直接的鎖的獲取和釋放。

當JVM的解釋器執行monitorenter時會進入到InterpreterRuntime.cpp的

1.1 InterpreterRuntime::monitorenter1.1.1 函數參數 JavaThread *thread

封裝 Java線程 幀狀態的與機器/操作系統相關的部分的對象，這里傳參代表程序中的當前線程BasicObjectLock *elem

BasicLock 類型的 _lock 對象主要用來保存 _obj 對象的對象頭數據：

1.1.2 函數體

UseBiasedLocking 標識JVM是否開啟偏向鎖功能

如果開啟則執行fast_enter邏輯 否則執行slow_enter 2 偏向鎖 2.1 偏向鎖的意義

無多線程競爭時，盡量減少不必要的輕量級鎖執行路徑。

輕量級鎖的獲取及釋放依賴多次的CAS操作，而偏向鎖只依賴一次CAS置換ThreadID。

當存在高度的鎖競爭和低數據競爭時，RTM 鎖最有用。高鎖爭用情況下，鎖通常會膨脹，而偏向鎖不適于這種情況。RTM 鎖代碼要求關閉偏向鎖。

注意：我們不能在 get_processor_features() 中關閉 UseBiasedLocking，因為它被 Thread::allocate() 使用，它在 VM_Version::initialize() 之前調用。

if (UseRTMLocking && UseBiasedLocking) { if (FLAG_IS_DEFAULT(UseBiasedLocking)) { FLAG_SET_DEFAULT(UseBiasedLocking, false); } else { warning('Biased locking is not supported with RTM locking; ignoring UseBiasedLocking flag.' ); UseBiasedLocking = false; }}

一旦出現多個線程競爭時必須撤銷偏向鎖，所以：

撤銷偏向鎖消耗的性能必須 ＜ 之前節省下來的CAS原子操作的性能消耗

不然得不償失!

JDK 6中默認開啟偏向鎖，可以通過-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向鎖。

偏向鎖的入口位于synchronizer.cpp文件的ObjectSynchronizer::fast_enter函數

2.2 偏向鎖的獲取

由BiasedLocking::revoke_and_rebias方法實現

2.2.1 markOop mark = obj->mark()

獲取對象的markOop數據mark，即對象頭的Mark Word

2.2.2 判斷mark是否為可偏向狀態 mark的偏向鎖標志位為 1 鎖標志位為 012.2.3 判斷mark中JavaThread的狀態

如果為空，則進入步驟（4）；如果指向當前線程，則執行同步代碼塊；如果指向其它線程，進入步驟（5）；

2.2.4 通過CAS原子指令

設置mark中JavaThread為當前線程ID，如果執行CAS成功，則執行同步代碼塊，否則進入步驟（5）；

2.2.5 如果執行CAS失敗

表示當前存在多個線程競爭鎖，當達到全局安全點（safepoint），獲得偏向鎖的線程被掛起，撤銷偏向鎖，并升級為輕量級，升級完成后被阻塞在安全點的線程繼續執行同步代碼塊；

2.3 偏向鎖的撤銷

只有當其它線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖，偏向鎖的撤銷由BiasedLocking::revoke_at_safepoint方法實現：

1、偏向鎖的撤銷動作必須等待全局安全點；2、暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象是否處于被鎖定狀態；3、撤銷偏向鎖，恢復到無鎖（標志位為 01）或輕量級鎖（標志位為 00）的狀態；

偏向鎖在Java 1.6之后是默認啟用的，但在應用程序啟動幾秒鐘之后才激活，可以使用-XX:BiasedLockingStartupDelay=0參數關閉延遲，如果確定應用程序中所有鎖通常情況下處于競爭狀態，可以通過XX:-UseBiasedLocking=false參數關閉偏向鎖。

2.4 輕量級鎖2.4.1 引入輕量級鎖的目的

在多線程交替執行同步塊的情況下，盡量避免重量級鎖引起的性能消耗，但是如果多個線程在同一時刻進入臨界區，會導致輕量級鎖膨脹升級重量級鎖，所以輕量級鎖的出現并非是要替代重量級鎖

2.4.2 輕量級鎖的獲取

當關閉偏向鎖功能，或多個線程競爭偏向鎖導致偏向鎖升級為輕量級鎖，會嘗試獲取輕量級鎖，其入口位于ObjectSynchronizer::slow_enter

1、markOop mark = obj->mark()方法獲取對象的markOop數據mark；2、mark->is_neutral()方法判斷mark是否為無鎖狀態：mark的偏向鎖標志位為 0，鎖標志位為 01；3、如果mark處于無鎖狀態，則進入步驟（4），否則執行步驟（6）；4、把mark保存到BasicLock對象的_displaced_header字段；5、通過CAS嘗試將Mark Word更新為指向BasicLock對象的指針，如果更新成功，表示競爭到鎖，則執行同步代碼，否則執行步驟（6）；6、如果當前mark處于加鎖狀態，且mark中的ptr指針指向當前線程的棧幀，則執行同步代碼，否則說明有多個線程競爭輕量級鎖，輕量級鎖需要膨脹升級為重量級鎖；

假設線程A和B同時執行到臨界區if (mark->is_neutral())：1、線程AB都把Mark Word復制到各自的_displaced_header字段，該數據保存在線程的棧幀上，是線程私有的；2、Atomic::cmpxchg_ptr原子操作保證只有一個線程可以把指向棧幀的指針復制到Mark Word，假設此時線程A執行成功，并返回繼續執行同步代碼塊；3、線程B執行失敗，退出臨界區，通過ObjectSynchronizer::inflate方法開始膨脹鎖；

輕量級鎖的釋放

輕量級鎖的釋放通過ObjectSynchronizer::fast_exit完成。

1、確保處于偏向鎖狀態時不會執行這段邏輯；2、取出在獲取輕量級鎖時保存在BasicLock對象的mark數據dhw；3、通過CAS嘗試把dhw替換到當前的Mark Word，如果CAS成功，說明成功的釋放了鎖，否則執行步驟（4）；4、如果CAS失敗，說明有其它線程在嘗試獲取該鎖，這時需要將該鎖升級為重量級鎖，并釋放；

重量級鎖

重量級鎖通過對象內部的監視器（monitor）實現，其中monitor的本質是依賴于底層操作系統的Mutex Lock實現，操作系統實現線程之間的切換需要從用戶態到內核態的切換，切換成本非常高。

鎖膨脹過程

鎖的膨脹過程通過ObjectSynchronizer::inflate函數實現

膨脹過程的實現比較復雜，截圖中只是一小部分邏輯，完整的方法可以查看synchronized.cpp，大概實現過程如下：1、整個膨脹過程在自旋下完成；2、mark->has_monitor()方法判斷當前是否為重量級鎖，即Mark Word的鎖標識位為 10，如果當前狀態為重量級鎖，執行步驟（3），否則執行步驟（4）；3、mark->monitor()方法獲取指向ObjectMonitor的指針，并返回，說明膨脹過程已經完成；4、如果當前鎖處于膨脹中，說明該鎖正在被其它線程執行膨脹操作，則當前線程就進行自旋等待鎖膨脹完成，這里需要注意一點，雖然是自旋操作，但不會一直占用cpu資源，每隔一段時間會通過os::NakedYield方法放棄cpu資源，或通過park方法掛起；如果其他線程完成鎖的膨脹操作，則退出自旋并返回；5、如果當前是輕量級鎖狀態，即鎖標識位為 00，膨脹過程如下：

1、通過omAlloc方法，獲取一個可用的ObjectMonitor monitor，并重置monitor數據；2、通過CAS嘗試將Mark Word設置為markOopDesc:INFLATING，標識當前鎖正在膨脹中，如果CAS失敗，說明同一時刻其它線程已經將Mark Word設置為markOopDesc:INFLATING，當前線程進行自旋等待膨脹完成；3、如果CAS成功，設置monitor的各個字段：_header、_owner和_object等，并返回；

monitor競爭

當鎖膨脹完成并返回對應的monitor時，并不表示該線程競爭到了鎖，真正的鎖競爭發生在ObjectMonitor::enter方法中。

1、通過CAS嘗試把monitor的_owner字段設置為當前線程；2、如果設置之前的_owner指向當前線程，說明當前線程再次進入monitor，即重入鎖，執行_recursions ++ ，記錄重入的次數；3、如果之前的_owner指向的地址在當前線程中，這種描述有點拗口，換一種說法：之前_owner指向的BasicLock在當前線程棧上，說明當前線程是第一次進入該monitor，設置_recursions為1，_owner為當前線程，該線程成功獲得鎖并返回；4、如果獲取鎖失敗，則等待鎖的釋放；

monitor等待

monitor競爭失敗的線程，通過自旋執行ObjectMonitor::EnterI方法等待鎖的釋放，EnterI方法的部分邏輯實現如下：

1、當前線程被封裝成ObjectWaiter對象node，狀態設置成ObjectWaiter::TS_CXQ；2、在for循環中，通過CAS把node節點push到_cxq列表中，同一時刻可能有多個線程把自己的node節點push到_cxq列表中；3、node節點push到_cxq列表之后，通過自旋嘗試獲取鎖，如果還是沒有獲取到鎖，則通過park將當前線程掛起，等待被喚醒，實現如下：

4、當該線程被喚醒時，會從掛起的點繼續執行，通過ObjectMonitor::TryLock嘗試獲取鎖，TryLock方法實現如下：

其本質就是通過CAS設置monitor的_owner字段為當前線程，如果CAS成功，則表示該線程獲取了鎖，跳出自旋操作，執行同步代碼，否則繼續被掛起；

monitor釋放

當某個持有鎖的線程執行完同步代碼塊時，會進行鎖的釋放，給其它線程機會執行同步代碼，在HotSpot中，通過退出monitor的方式實現鎖的釋放，并通知被阻塞的線程，具體實現位于ObjectMonitor::exit方法中。

1、如果是重量級鎖的釋放，monitor中的_owner指向當前線程，即THREAD == _owner；2、根據不同的策略（由QMode指定），從cxq或EntryList中獲取頭節點，通過ObjectMonitor::ExitEpilog方法喚醒該節點封裝的線程，喚醒操作最終由unpark完成，實現如下：

void ObjectMonitor::ExitEpilog(Thread * Self, ObjectWaiter * Wakee) { assert(_owner == Self, 'invariant'); // Exit protocol: // 1. ST _succ = wakee // 2. membar #loadstore|#storestore; // 2. ST _owner = NULL // 3. unpark(wakee) _succ = Wakee->_thread; ParkEvent * Trigger = Wakee->_event; // Hygiene -- once we’ve set _owner = NULL we can’t safely dereference Wakee again. // The thread associated with Wakee may have grabbed the lock and 'Wakee' may be // out-of-scope (non-extant). Wakee = NULL; // Drop the lock OrderAccess::release_store(&_owner, (void*)NULL); OrderAccess::fence(); // ST _owner vs LD in unpark() DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__exit, this, object(), Self); Trigger->unpark(); // Maintain stats and report events to JVMTI OM_PERFDATA_OP(Parks, inc());}

3、被喚醒的線程，繼續執行monitor的競爭；

總結

到此這篇關于Java同步關鍵字synchronize底層實現原理解析的文章就介紹到這了,更多相關java synchronize底層實現原理內容請搜索好吧啦網以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持好吧啦網！