Java synchronized最細講解

更新時間：2021年09月10日 09:31:20 作者：Penguin——科波特

synchronized是Java語言的關(guān)鍵字，當它用來修飾一個方法或者一個代碼塊的時候，能夠保證在同一時刻最多只有一個線程執(zhí)行該段代碼。本文給大家介紹java中 synchronized的用法，對本文感興趣的朋友一起看看吧

前言

線程安全問題的主要誘因有兩點，一是存在共享數(shù)據(jù)(也稱臨界資源)，二是存在多條線程共同操作共享數(shù)據(jù)。

因此為了解決這個問題，我們可能需要這樣一個方案，當存在多個線程操作共享數(shù)據(jù)時，需要保證同一時刻有且只有一個線程在操作共享數(shù)據(jù)，其他線程必須等到該線程處理完數(shù)據(jù)后再進行，這種方式有個高尚的名稱叫互斥鎖，即能達到互斥訪問目的的鎖，也就是說當一個共享數(shù)據(jù)被當前正在訪問的線程加上互斥鎖后，在同一個時刻，其他線程只能處于等待的狀態(tài)，直到當前線程處理完畢釋放該鎖。

在 Java 中，關(guān)鍵字 synchronized可以保證在同一個時刻，只有一個線程可以執(zhí)行某個方法或者某個代碼塊(主要是對方法或者代碼塊中存在共享數(shù)據(jù)的操作)，同時我們還應該注意到synchronized另外一個重要的作用，synchronized可保證一個線程的變化(主要是共享數(shù)據(jù)的變化)被其他線程所看到（保證可見性，完全可以替代Volatile功能），這點確實也是很重要的。

synchronized三種作用范圍（給對象加鎖）

在靜態(tài)方法上加鎖；

在非靜態(tài)方法上加鎖；

在代碼塊上加鎖；

public class SynchronizedSample {
 
    private final Object lock = new Object();
 
    private static int money = 0;
		//非靜態(tài)方法
    public synchronized void noStaticMethod(){
        money++;
    }
		//靜態(tài)方法
    public static synchronized void staticMethod(){
        money++;
    }
		
    public void codeBlock(){
      	//代碼塊
        synchronized (lock){
            money++;
        }
    }
}

作用范圍	鎖對象
非靜態(tài)方法	當前對象 => this
靜態(tài)方法	類對象 => SynchronizedSample.class （一切皆對象，這個是類對象）
代碼塊	指定對象 => lock （以上面的代碼為例）

Synchronization實現(xiàn)原理

先理解Java對象頭與Monitor

1.對象頭：鎖的類型和狀態(tài)和對象頭的Mark Word息息相關(guān)；

在這里插入圖片描述

對象頭分為二個部分，Mard Word 和 Klass Word

對象頭結(jié)構(gòu)	存儲信息-說明
Mard Word	存儲對象的hashCode、鎖信息或分代年齡或GC標志等信息
Klass Word	存儲指向?qū)ο笏鶎兕悾ㄔ獢?shù)據(jù)）的指針，JVM通過這個確定這個對象屬于哪個類

其中Mark Word在默認情況下存儲著對象的HashCode、分代年齡、鎖標記位等以下是32位JVM的Mark Word默認存儲結(jié)構(gòu)

鎖狀態(tài)	25bit	4bit	1bit是否是偏向鎖	2bit 鎖標志位
無鎖狀態(tài)	對象HashCode	對象分代年齡	0	01

在這里插入圖片描述

主要分析一下重量級鎖也就是通常說synchronized的對象鎖，鎖標識位為10，其中指針指向的是monitor對象（也稱為管程或監(jiān)視器鎖）的起始地址。每個對象都存在著一個 monitor 與之關(guān)聯(lián)，對象與其 monitor 之間的關(guān)系有存在多種實現(xiàn)方式，如monitor可以與對象一起創(chuàng)建銷毀或當線程試圖獲取對象鎖時自動生成，但當一個 monitor 被某個線程持有后，它便處于鎖定狀態(tài)。在Java虛擬機(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor實現(xiàn)的，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（位于HotSpot虛擬機源碼ObjectMonitor.hpp文件，C++實現(xiàn)的）

//👇圖詳細介紹重要變量的作用
ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;   // 重入次數(shù)
    _waiters      = 0,   // 等待線程數(shù)
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  // 當前持有鎖的線程
    _WaitSet      = NULL;  // 調(diào)用了 wait 方法的線程被阻塞 放置在這里
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 等待鎖 處于block的線程 有資格成為候選資源的線程
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor中有兩個隊列，_WaitSet 和 _EntryList，用來保存ObjectWaiter對象列表( 每個等待鎖的線程都會被封裝成ObjectWaiter對象)，_owner指向持有ObjectMonitor對象的線程，當多個線程同時訪問一段同步代碼時，首先會進入 _EntryList 集合，當線程獲取到對象的monitor 后進入 _Owner 區(qū)域并把monitor中的owner變量設置為當前線程同時monitor中的計數(shù)器count加1，若線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當前持有的monitor，owner變量恢復為null，count自減1，同時該線程進入 WaitSet集合中等待被喚醒。若當前線程執(zhí)行完畢也將釋放monitor(鎖)并復位變量的值，以便其他線程進入獲取monitor(鎖)。如下圖所示

在這里插入圖片描述

由此看來，monitor對象存在于每個Java對象的對象頭中(存儲的指針的指向)，synchronized鎖便是通過這種方式獲取鎖的，也是為什么Java中任意對象可以作為鎖的原因，同時也是notify/notifyAll/wait等方法存在于頂級對象Object中的原因(關(guān)于這點稍后還會進行分析)。

jdk6 之后做了改進，引入了偏向鎖和輕量級鎖：

依賴底層操作系統(tǒng)的 mutex 相關(guān)指令實現(xiàn)，加鎖解鎖需要在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換，性能損耗非常明顯。
研究人員發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)對象的加鎖和解鎖都是在特定的線程中完成。也就是出現(xiàn)線程競爭鎖的情況概率比較低。他們做了一個實驗，找了一些典型的軟件，測試同一個線程加鎖解鎖的重復率，如下圖所示，可以看到重復加鎖比例非常高。早期JVM 有 19% 的執(zhí)行時間浪費在鎖上。

1.無鎖到偏向鎖轉(zhuǎn)化的過程

在這里插入圖片描述

首先A 線程訪問同步代碼塊，使用CAS 操作將 Thread ID 放到 Mark Word 當中；

如果CAS 成功，此時線程A 就獲取了鎖

如果線程CAS 失敗，證明有別的線程持有鎖，例如上圖的線程B 來CAS 就失敗的，這個時候啟動偏向鎖撤銷（revoke bias）；

鎖撤銷流程：

讓 A線程在全局安全點阻塞（類似于GC前線程在安全點阻塞）

遍歷線程棧，查看是否有被鎖對象的鎖記錄（ Lock Record），如果有Lock Record，需要修復鎖記錄和Markword，使其變成無鎖狀態(tài)。

恢復A線程

將是否為偏向鎖狀態(tài)置為 0 ，開始進行輕量級加鎖流程

2.偏向鎖升級輕量級

線程在自己的棧楨中創(chuàng)建鎖記錄 LockRecord。
線程A 將 Mark Word 拷貝到線程棧的 Lock Record中
將鎖記錄中的Owner指針指向加鎖的對象（存放對象地址）
將鎖對象的對象頭的MarkWord替換為指向鎖記錄的指針。
這時鎖標志位變成 00 ，表示輕量級鎖

其實就是撤銷偏向鎖后，當前線程棧中會分配鎖記錄，并拷貝Mark Word到鎖記錄中。然后兩個線程用CAS的方式去修改Mark Word中的指針指向自己，假如說第一個線程修改成功了，然后將鎖升級為輕量級鎖，去執(zhí)行同步語句塊中的內(nèi)容。

3.輕量級到重量級

修改失敗的第二個線程會進入自旋狀態(tài)，自旋結(jié)束后會繼續(xù)去嘗試CAS修改指針指向自己。如果自旋失敗超過一定次數(shù)的時候（這個次數(shù)會動態(tài)進行調(diào)整），會請求JVM將此時的鎖狀態(tài)升級為重量級鎖，這是依賴于底層操作系統(tǒng)的調(diào)度庫來實現(xiàn)的。接著將Mark Word指向重量級鎖Monitor的指針，然后掛起當前第二個線程（被放在Monitor的_EntryList中）。等一個線程執(zhí)行完畢后，會查看當前Mark Word中的指針是否仍然指向自己，如果是自己的話就釋放鎖，否則不是自己的話，說明此時已經(jīng)升級成了重量級鎖，除了釋放鎖之后，還會喚醒阻塞的線程，進行新一輪的鎖競爭。在此之后，該鎖就一直會是重量級鎖存在了

ps：為什么設計自旋數(shù)超過一定限制設置為重量級鎖？

一般來說，同步代碼塊內(nèi)的代碼應該很快就執(zhí)行結(jié)束，這時候修改失敗的第二個線程自旋一段時間是很容易拿到鎖的，但是如果不巧，沒拿到，自旋其實就是死循環(huán)，很耗CPU的，因此就直接轉(zhuǎn)成重量級鎖咯，這樣就不用了線程一直自旋了。

源碼才學疏淺只了解到：

synchronized 在代碼塊上是通過 monitorenter 和 monitorexit指令實現(xiàn)，在靜態(tài)方法和方法上加鎖是在方法的flags 中加入 ACC_SYNCHRONIZED 。JVM 運行方法時檢查方法的flags，遇到同步標識開始啟動前面的加鎖流程，在方法內(nèi)部遇到monitorenter指令開始加鎖。