出自[JVM底層又是如何實現synchronized的](http://www.open-open.com/lib/view/open1352431526366.html) [TOC=1,2] 目前在Java中存在兩種鎖機制：synchronized和Lock，Lock接口及其實現類是JDK5增加的內容，其作者是大名鼎鼎的并發專家Doug Lea。本文并不比較synchronized與Lock孰優孰劣，只是介紹二者的實現原理。 數據同步需要依賴鎖，那鎖的同步又依賴誰？synchronized給出的答案是在軟件層面依賴JVM，而Lock給出的方案是在硬件層面依賴特殊的CPU指令，大家可能會進一步追問：JVM底層又是如何實現synchronized的？ 本文所指說的JVM是指Hotspot的6u23版本，下面首先介紹synchronized的實現： synrhronized關鍵字簡潔、清晰、語義明確，因此即使有了Lock接口，使用的還是非常廣泛。其應用層的語義是可以把任何一個非null對象 作為"鎖"，當synchronized作用在方法上時，鎖住的便是對象實例（this）；當作用在靜態方法時鎖住的便是對象對應的Class實例，因為 Class數據存在于永久帶，因此靜態方法鎖相當于該類的一個全局鎖；當synchronized作用于某一個對象實例時，鎖住的便是對應的代碼塊。在 HotSpot JVM實現中，鎖有個專門的名字：對象監視器。 # 1. 線程狀態及狀態轉換 當多個線程同時請求某個對象監視器時，對象監視器會設置幾種狀態用來區分請求的線程： Contention List：所有請求鎖的線程將被首先放置到該競爭隊列 Entry List：Contention List中那些有資格成為候選人的線程被移到Entry List Wait Set：那些調用wait方法被阻塞的線程被放置到Wait Set OnDeck：任何時刻最多只能有一個線程正在競爭鎖，該線程稱為OnDeck Owner：獲得鎖的線程稱為Owner !Owner：釋放鎖的線程 下圖反映了個狀態轉換關系：  JVM底層又是如何實現synchronized的 新請求鎖的線程將首先被加入到ConetentionList中，當某個擁有鎖的線程（Owner狀態）調用unlock之后，如果發現 EntryList為空則從ContentionList中移動線程到EntryList，下面說明下ContentionList和EntryList 的實現方式： ## 1.1 ContentionList 虛擬隊列 ContentionList并不是一個真正的Queue，而只是一個虛擬隊列，原因在于ContentionList是由Node及其next指 針邏輯構成，并不存在一個Queue的數據結構。ContentionList是一個后進先出（LIFO）的隊列，每次新加入Node時都會在隊頭進行， 通過CAS改變第一個節點的的指針為新增節點，同時設置新增節點的next指向后續節點，而取得操作則發生在隊尾。顯然，該結構其實是個Lock- Free的隊列。 因為只有Owner線程才能從隊尾取元素，也即線程出列操作無爭用，當然也就避免了CAS的ABA問題。  JVM底層又是如何實現synchronized的 ## 1.2 EntryList EntryList與ContentionList邏輯上同屬等待隊列，ContentionList會被線程并發訪問，為了降低對 ContentionList隊尾的爭用，而建立EntryList。Owner線程在unlock時會從ContentionList中遷移線程到 EntryList，并會指定EntryList中的某個線程（一般為Head）為Ready（OnDeck）線程。Owner線程并不是把鎖傳遞給 OnDeck線程，只是把競爭鎖的權利交給OnDeck，OnDeck線程需要重新競爭鎖。這樣做雖然犧牲了一定的公平性，但極大的提高了整體吞吐量，在 Hotspot中把OnDeck的選擇行為稱之為“競爭切換”。 OnDeck線程獲得鎖后即變為owner線程，無法獲得鎖則會依然留在EntryList中，考慮到公平性，在EntryList中的位置不 發生變化（依然在隊頭）。如果Owner線程被wait方法阻塞，則轉移到WaitSet隊列；如果在某個時刻被notify/notifyAll喚醒， 則再次轉移到EntryList。 # 2. 自旋鎖 那些處于ContetionList、EntryList、WaitSet中的線程均處于阻塞狀態，阻塞操作由操作系統完成（在Linxu下通 過pthread_mutex_lock函數）。線程被阻塞后便進入內核（Linux）調度狀態，這個會導致系統在用戶態與內核態之間來回切換，嚴重影響 鎖的性能 緩解上述問題的辦法便是自旋，其原理是：當發生爭用時，若Owner線程能在很短的時間內釋放鎖，則那些正在爭用線程可以稍微等一等（自旋）， 在Owner線程釋放鎖后，爭用線程可能會立即得到鎖，從而避免了系統阻塞。但Owner運行的時間可能會超出了臨界值，爭用線程自旋一段時間后還是無法 獲得鎖，這時爭用線程則會停止自旋進入阻塞狀態（后退）。基本思路就是自旋，不成功再阻塞，盡量降低阻塞的可能性，這對那些執行時間很短的代碼塊來說有非 常重要的性能提高。自旋鎖有個更貼切的名字：自旋-指數后退鎖，也即復合鎖。很顯然，自旋在多處理器上才有意義。 還有個問題是，線程自旋時做些啥？其實啥都不做，可以執行幾次for循環，可以執行幾條空的匯編指令，目的是占著CPU不放，等待獲取鎖的機 會。所以說，自旋是把雙刃劍，如果旋的時間過長會影響整體性能，時間過短又達不到延遲阻塞的目的。顯然，自旋的周期選擇顯得非常重要，但這與操作系統、硬 件體系、系統的負載等諸多場景相關，很難選擇，如果選擇不當，不但性能得不到提高，可能還會下降，因此大家普遍認為自旋鎖不具有擴展性。 自旋優化策略 對自旋鎖周期的選擇上，HotSpot認為最佳時間應是一個線程上下文切換的時間，但目前并沒有做到。經過調查，目前只是通過匯編暫停了幾個CPU周期，除了自旋周期選擇，HotSpot還進行許多其他的自旋優化策略，具體如下： 如果平均負載小于CPUs則一直自旋 如果有超過(CPUs/2)個線程正在自旋，則后來線程直接阻塞 如果正在自旋的線程發現Owner發生了變化則延遲自旋時間（自旋計數）或進入阻塞 如果CPU處于節電模式則停止自旋 自旋時間的最壞情況是CPU的存儲延遲（CPU A存儲了一個數據，到CPU B得知這個數據直接的時間差） 自旋時會適當放棄線程優先級之間的差異 那synchronized實現何時使用了自旋鎖？答案是在線程進入ContentionList時，也即第一步操作前。線程在進入等待隊列時 首先進行自旋嘗試獲得鎖，如果不成功再進入等待隊列。這對那些已經在等待隊列中的線程來說，稍微顯得不公平。還有一個不公平的地方是自旋線程可能會搶占了 Ready線程的鎖。自旋鎖由每個監視對象維護，每個監視對象一個。 # 3. JVM1.6偏向鎖 在JVM1.6中引入了偏向鎖，偏向鎖主要解決無競爭下的鎖性能問題，首先我們看下無競爭下鎖存在什么問題： 現在幾乎所有的鎖都是可重入的，也即已經獲得鎖的線程可以多次鎖住/解鎖監視對象，按照之前的HotSpot設計，每次加鎖/解鎖都會涉及到一些CAS操 作（比如對等待隊列的CAS操作），CAS操作會延遲本地調用，因此偏向鎖的想法是一旦線程第一次獲得了監視對象，之后讓監視對象“偏向”這個 線程，之后的多次調用則可以避免CAS操作，說白了就是置個變量，如果發現為true則無需再走各種加鎖/解鎖流程。但還有很多概念需要解釋、很多引入的 問題需要解決： ## 3.1 CAS及SMP架構 CAS為什么會引入本地延遲？這要從SMP（對稱多處理器）架構說起，下圖大概表明了SMP的結構：  其意思是所有的CPU會共享一條系統總線（BUS），靠此總線連接主存。每個核都有自己的一級緩存，各核相對于BUS對稱分布，因此這種結構稱為“對稱多處理器”。 而CAS的全稱為Compare-And-Swap，是一條CPU的原子指令，其作用是讓CPU比較后原子地更新某個位置的值，經過調查發現， 其實現方式是基于硬件平臺的匯編指令，就是說CAS是靠硬件實現的，JVM只是封裝了匯編調用，那些AtomicInteger類便是使用了這些封裝后的 接口。 Core1和Core2可能會同時把主存中某個位置的值Load到自己的L1 Cache中，當Core1在自己的L1 Cache中修改這個位置的值時，會通過總線，使Core2中L1 Cache對應的值“失效”，而Core2一旦發現自己L1 Cache中的值失效（稱為Cache命中缺失）則會通過總線從內存中加載該地址最新的值，大家通過總線的來回通信稱為“Cache一致性流量”，因為總 線被設計為固定的“通信能力”，如果Cache一致性流量過大，總線將成為瓶頸。而當Core1和Core2中的值再次一致時，稱為“Cache一致 性”，從這個層面來說，鎖設計的終極目標便是減少Cache一致性流量。 而CAS恰好會導致Cache一致性流量，如果有很多線程都共享同一個對象，當某個Core CAS成功時必然會引起總線風暴，這就是所謂的本地延遲，本質上偏向鎖就是為了消除CAS，降低Cache一致性流量。 Cache一致性： 上面提到Cache一致性，其實是有協議支持的，現在通用的協議是MESI（最早由Intel開始支持），具體參考：http://en.wikipedia.org/wiki/MESI_protocol，以后會仔細講解這部分。 Cache一致性流量的例外情況： 其實也不是所有的CAS都會導致總線風暴，這跟Cache一致性協議有關，具體參考：http://blogs.oracle.com/dave/entry/biased_locking_in_hotspot NUMA(Non Uniform Memory Access Achitecture）架構： 與SMP對應還有非對稱多處理器架構，現在主要應用在一些高端處理器上，主要特點是沒有總線，沒有公用主存，每個Core有自己的內存，針對這種結構此處不做討論。 ## 3.2 偏向解除 偏向鎖引入的一個重要問題是，在多爭用的場景下，如果另外一個線程爭用偏向對象，擁有者需要釋放偏向鎖，而釋放的過程會帶來一些性能開銷，但總體說來偏向鎖帶來的好處還是大于CAS代價的。 # 總結 關于鎖，JVM中還引入了一些其他技術比如鎖膨脹等，這些與自旋鎖、偏向鎖相比影響不是很大，這里就不做介紹。 通過上面的介紹可以看出，synchronized的底層實現主要依靠Lock-Free的隊列，基本思路是自旋后阻塞，競爭切換后繼續競爭鎖，稍微犧牲了公平性，但獲得了高吞吐量。 -------------------------------------------------------------------------- 最近特喜歡看這樣刨根問底的文章，這篇文章原文還有一半是講Lock實現的原理的。原文的格式太差了，看都不想看，索性發上來，在這里排版了看。寫底層確實沒有寫界面來的那么容易出效果，需要慢慢慢慢的熬出來。