【免费】第16讲synchronized底层如何实现？什么是锁...1

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极客时间 | Java核心技术36讲

https://time.geekbang.org/column/article/9042[2018/7/9 11:02:04]

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

第

讲

| synchronized

底

层

如何

实现

？什么是

锁

的升

级

、降

级

？

朗读人：黄洲君 11′02′′ | 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。

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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

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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) {



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。

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