一、為什么出現(xiàn)synchronized

對(duì)于程序員而言，不管是在平常的工作中還是面試中，都會(huì)經(jīng)常用到或者被問(wèn)到synchronized。在多線程并發(fā)編程中，synchronized早已是元老級(jí)的角色了，很多人都稱其為重量級(jí)鎖，但是隨著Java SE 1.6對(duì)其進(jìn)行各種優(yōu)化之后，便顯得不再是那么的重了。

也正是因?yàn)槎嗑€程并發(fā)的出現(xiàn)，便產(chǎn)生了線程安全這樣的問(wèn)題，對(duì)于線程安全的主要原因如下：

• 存在共享數(shù)據(jù)（也稱臨界資源）
• 存在多條線程共同操作這些共享數(shù)據(jù)

而對(duì)于解決這樣的一個(gè)問(wèn)題的辦法是：同一時(shí)刻有且只有一條線程在操作共享數(shù)據(jù)，其他線程必須等待該線程處理完數(shù)據(jù)后再對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作

此時(shí)便產(chǎn)生了互斥鎖，互斥鎖的特性如下：

• 互斥性：即在同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程持有某個(gè)對(duì)象鎖，通過(guò)這種特性來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程協(xié)調(diào)機(jī)制，這樣在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程對(duì)所需要的同步的代碼塊（復(fù)合操作）進(jìn)行訪問(wèn)?；コ庑砸渤蔀榱瞬僮鞯脑有?。
• 可見(jiàn)性：必須確保在鎖釋放之前，對(duì)共享變量所做的修改，對(duì)于隨后獲得該鎖的另一個(gè)線程可見(jiàn)（即在獲得鎖時(shí)應(yīng)獲得最新共享變量的值），否則另一個(gè)線程可能是在本地緩存的某個(gè)副本上繼續(xù)操作，從而引起數(shù)據(jù)不一致。

對(duì)于Java而言，synchronized關(guān)鍵字滿足了以上的要求。

二、實(shí)現(xiàn)原理

首先我們要知道synchronized鎖的不是代碼，鎖的是對(duì)象。

根據(jù)獲取的鎖的分類：獲取對(duì)象鎖和獲取類鎖：

獲取對(duì)像鎖的兩種方法

• 1.同步代碼塊（synchronized（this），synchronized（類實(shí)例對(duì)象）），鎖是小括號(hào)（）的實(shí)例對(duì)象
• 2.同步非靜態(tài)方法（synchronized method），鎖是當(dāng)前對(duì)象是實(shí)例對(duì)象

獲取類鎖的兩種方法

• 1.同步代碼塊（synchronized（類.class）），鎖是小括號(hào)（）中的類對(duì)象（Class對(duì)象）
• 2.同步靜態(tài)方法（synchronized static method），鎖是當(dāng)前對(duì)象的類對(duì)象（Class對(duì)象）

對(duì)象鎖和類鎖的總結(jié)：有線程訪問(wèn)對(duì)象的同步代碼塊時(shí)，另外的線程可以訪問(wèn)該兌對(duì)象的非同步代碼塊

• 若鎖住的是同一個(gè)對(duì)象，一個(gè)線程在訪問(wèn)對(duì)象的 同步代碼塊時(shí)，另一個(gè)訪問(wèn)對(duì)象的同步代碼塊的線程會(huì)被阻塞
• 若鎖住的是同一個(gè)對(duì)象，一個(gè)線程在訪問(wèn)對(duì)象的 同步方法時(shí)，另一個(gè)訪問(wèn)對(duì)象的同步方法的線程會(huì)被阻塞
• 若鎖住的是同一個(gè)對(duì)象，一個(gè)線程在訪問(wèn)對(duì)象的 同步代碼塊時(shí)，另一個(gè)訪問(wèn)對(duì)象的同步方法的線程會(huì)被阻塞
• 同一個(gè)類的不同對(duì)象的對(duì)象鎖互不干擾
• 類鎖由于是一種特殊的對(duì)象鎖，因此表現(xiàn)和上述1,2,3,4一致，由于一個(gè)只有一把對(duì)象鎖，所以同一個(gè)類的不同對(duì)象使用類鎖，將是同步的
• 類鎖和對(duì)象鎖互不干擾

當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問(wèn)同步代碼塊時(shí)，它首先必須得到鎖，退出或者拋出異常時(shí)必須釋放鎖，那么鎖存在哪里呢？

我們先來(lái)看一段代碼：

public class SyncBlockTest {
    public void syncsTask() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("Hello");
        }
    }
 
    public synchronized void syncTask() {
        System.out.println("Hello Baby");
    }
}

在使用javac工具把上面代碼變異成class，然后使用javap工具查看編譯好的class文件，如下：

  public com.interview.javabasic.thread.SyncBlockTest();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
 
  public void syncsTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         7: ldc           #3                  // String Hello
         9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        12: aload_1
        13: monitorexit
        14: goto          22
        17: astore_2
        18: aload_1
        19: monitorexit
        20: aload_2
        21: athrow
        22: return
      Exception table:
         from    to  target type
             4    14    17   any
            17    20    17   any
      LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 4
        line 12: 12
        line 13: 22
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 17
          locals = [ class com/interview/javabasic/thread/SyncBlockTest, class java/lang/Object ]
          stack = [ class java/lang/Throwable ]
        frame_type = 250 /* chop */
          offset_delta = 4
 
  public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #5                  // String Hello Baby
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 16: 0
        line 17: 8
}

同步代碼塊：從上面的字節(jié)碼中可以看出，同步語(yǔ)句塊的實(shí)現(xiàn)是使用monitorenter和monitorexit指令的，monitorenter指向同步代碼塊的開(kāi)始位置，它首先去獲取PrintStream這個(gè)類，然后傳入“Hello”這個(gè)參數(shù)，然后再調(diào)用PrintStream中的println()方法去打印，monitorexit指明同步代碼塊的結(jié)束位置，當(dāng)執(zhí)行到monitorenter時(shí)，當(dāng)前線程將試圖獲取對(duì)象鎖所對(duì)應(yīng)的monitor的持有權(quán)。

同步方法：從上面代碼的syncTask()方法字節(jié)碼中看，這里面并沒(méi)monitorenter和monitorexit，且字節(jié)碼較短，其實(shí)這里方法的同步是隱式的，是無(wú)需通過(guò)字節(jié)碼指令控制，在上面可以看到一個(gè)“ACC_SYNCHRONIZED”這樣的一個(gè)訪問(wèn)標(biāo)志，用來(lái)區(qū)分一個(gè)方法是否是同步方法。當(dāng)方法調(diào)用時(shí)，調(diào)用指令將會(huì)檢查ACC_SYNCHRONIZED是否被設(shè)置，如果被設(shè)置，當(dāng)前線程將會(huì)持有monitor，然后再執(zhí)行方法，最后不管方法是否正常完成都會(huì)釋放monitor。

三、實(shí)現(xiàn)synchronized的基礎(chǔ)

Java對(duì)象頭和monitor是實(shí)現(xiàn)synchronized的基礎(chǔ)，下面將會(huì)說(shuō)說(shuō)關(guān)于Java對(duì)象頭和monitor。

Java對(duì)象頭：

hotspot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存的布局分布分為3個(gè)部分：對(duì)象頭，實(shí)例數(shù)據(jù)，和對(duì)齊填充。

對(duì)象頭的結(jié)構(gòu)如下：

mark word 被設(shè)計(jì)為非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便在極小的空間內(nèi)存儲(chǔ)更多的信息，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間。

例如，在32位的Hotspot虛擬機(jī)中，如果對(duì)象處于未被鎖定的情況下。

那么Mark Word 的32bit空間中有25bit用于存儲(chǔ)對(duì)象的哈希碼、4bit用于存儲(chǔ)對(duì)象的分代年齡、2bi用于t存儲(chǔ)鎖的標(biāo)記位、1bit固定為0，而在其他的狀態(tài)下（輕量級(jí)鎖定、重量級(jí)鎖定、GC標(biāo)記、可偏向）下對(duì)象的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

monitor：

每個(gè)Java對(duì)象天生就自帶了一把看不見(jiàn)的鎖，它可以視為是一種同步工具或者是一種同步機(jī)制，monitor還是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)線程都有一個(gè)可用monitor 列表，同時(shí)還有一個(gè)全局的可用列表，如上面所說(shuō)每一個(gè)被鎖住的對(duì)象都會(huì)持有一個(gè)monitor。

monitor結(jié)構(gòu)如下：

• Owner：初始時(shí)為NULL表示當(dāng)前沒(méi)有任何線程擁有該monitor record，當(dāng)線程成功擁有該鎖后保存線程唯一標(biāo)識(shí)，當(dāng)鎖被釋放時(shí)又設(shè)置為NULL；
• EntryQ:關(guān)聯(lián)一個(gè)系統(tǒng)互斥鎖（semaphore），阻塞所有試圖鎖住monitor record失敗的線程。
• RcThis:表示blocked或waiting在該monitor record上的所有線程的個(gè)數(shù)。
• Nest:用來(lái)實(shí)現(xiàn)重入鎖的計(jì)數(shù)。
• HashCode:保存從對(duì)象頭拷貝過(guò)來(lái)的HashCode值（可能還包含GC age）。
• Candidate:用來(lái)避免不必要的阻塞或等待線程喚醒，因?yàn)槊恳淮沃挥幸粋€(gè)線程能夠成功擁有鎖，如果每次前一個(gè)釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會(huì)引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然后因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)鎖失敗又被阻塞）從而導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降。Candidate只有兩種可能的值0表示沒(méi)有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個(gè)繼任線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖。

四、鎖優(yōu)化

Java6以后，對(duì)鎖進(jìn)行了大量的優(yōu)化，例如：AdaptiveSpinning（自適應(yīng)自旋）、Lock Eliminate（鎖消除）、Lock Coarsening（鎖粗化）、Lightweight Locking（輕量級(jí)鎖）、Biased Locking（偏向鎖）等等

自旋鎖

• 許多情況下，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較短，切換線程不值得
• 通過(guò)讓線程執(zhí)行忙循環(huán)等待鎖的釋放，不讓出CPU
• 缺點(diǎn)：若鎖被其他線程長(zhǎng)時(shí)間占用，會(huì)帶來(lái)許多性能上的開(kāi)銷

定義：所謂的自旋鎖就是讓沒(méi)有獲取到鎖的線程繼續(xù)等待一會(huì)兒，但不放棄CPU的執(zhí)行時(shí)間，這是的等一會(huì)和不放棄CPU的時(shí)間即是自旋鎖。

自適應(yīng)自旋鎖

• 自旋的次數(shù)不再固定
• 由前一次在同一鎖上的自旋時(shí)間及鎖擁有者的狀態(tài)來(lái)決定

鎖消除

鎖消除是對(duì)鎖更徹底的優(yōu)化，JIT編譯時(shí)，對(duì)運(yùn)行上下文進(jìn)行掃描，去除不可能存在競(jìng)爭(zhēng)的鎖

public class StringBufferWithoutSync {
    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是線程安全,由于sb只會(huì)在append方法中使用,不可能被其他線程引用
        //因此sb屬于不可能共享的資源,JVM會(huì)自動(dòng)消除內(nèi)部的鎖
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        StringBufferWithoutSync withoutSync = new StringBufferWithoutSync();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            withoutSync.add("aaa", "bbb");
        }
    }
 
}

例如Java中的StringBuffer 它是線程安全的，由于其append()方法只會(huì)在內(nèi)部使用的，也就不可能被其他線程引用，因此對(duì)于這個(gè)變量sb而言，便不屬于共享資源了，JVM會(huì)自動(dòng)消除內(nèi)部的鎖。

鎖粗化

原則上我們都知道，在加同步鎖的時(shí)候，盡可能將同步塊的作用范圍先知道盡量小的范圍，及只在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際工作范圍中進(jìn)行同步，這樣是為了需要同步的數(shù)量盡可能的變小，在存在鎖同步競(jìng)爭(zhēng)中，使得等待鎖的時(shí)間減小。

上述情況，大部分時(shí)候是正確的，但是如果存在一系列頻繁的操作，對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)的加鎖、解鎖， 甚至加鎖時(shí)是在循環(huán)體中操作的，這樣即使沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)，頻繁的進(jìn)行互斥鎖操作，也是導(dǎo)致不必要的性能開(kāi)銷。

對(duì)于解決這樣的問(wèn)題，我們只有盡可能的擴(kuò)大加鎖的范圍，例如下面的循環(huán)100次append，JVM會(huì)自己檢測(cè)到這樣的一個(gè)問(wèn)題，就會(huì)將加鎖的次數(shù)減至一次。

    public static String copyString(String target){
        int i = 0;
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        while (i<100){
            sb.append(target);
        }
        return sb.toString();
    }

五、synchronized鎖的狀態(tài)

synchronized鎖有四種狀態(tài)分別為：無(wú)鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖

鎖的膨脹方向：無(wú)鎖——>偏向鎖——>輕量級(jí)鎖——>重量級(jí)鎖

偏向鎖

作用：減少同一線程獲取鎖的代價(jià)

引入偏向鎖是因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下，鎖并不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，總是由同一線程多次獲得

獲取鎖

• 檢測(cè)Mark Word是否為可偏向狀態(tài)，即是否為偏向鎖1，鎖標(biāo)識(shí)位為01；
• 若為可偏向狀態(tài)，則測(cè)試線程ID是否為當(dāng)前線程ID，如果是，則執(zhí)行步驟（5），否則執(zhí)行步驟（3）；
• 如果線程ID不為當(dāng)前線程ID，則通過(guò)CAS操作競(jìng)爭(zhēng)鎖，競(jìng)爭(zhēng)成功，則將Mark Word的線程ID替換為當(dāng)前線程ID，否則執(zhí)行線程（4）；
• 通過(guò)CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖失敗，證明當(dāng)前存在多線程競(jìng)爭(zhēng)情況，當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)，獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，然后被阻塞在安全點(diǎn)的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼塊；
• 執(zhí)行同步代碼塊

釋放鎖

偏向鎖的釋放采用了一種只有競(jìng)爭(zhēng)才會(huì)釋放鎖的機(jī)制，線程是不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖，需要等待其他線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)。偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點(diǎn)（這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是上沒(méi)有正在執(zhí)行的代碼）。

其步驟如下：

• 暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對(duì)象石是否還處于被鎖定狀態(tài)；
• 撤銷偏向蘇，恢復(fù)到無(wú)鎖狀態(tài)（01）或者輕量級(jí)鎖的狀態(tài)；

輕量級(jí)鎖

獲取鎖

• 判斷當(dāng)前對(duì)象是否處于無(wú)鎖狀態(tài)（hashcode、0、01），若是，則JVM首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個(gè)
• Displaced前綴，即Displaced Mark Word）；否則執(zhí)行步驟（3）；
• JVM利用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指正，如果成功表示競(jìng)爭(zhēng)到鎖，則將鎖標(biāo)志位變成00（表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖狀態(tài)），執(zhí)行同步操作；如果失敗則執(zhí)行步驟（3）；
• 判斷當(dāng)前對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是則表示當(dāng)前線程已經(jīng)持有當(dāng)前對(duì)象的鎖，則直接執(zhí)行同步代碼塊；否則只能說(shuō)明該鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了，這時(shí)輕量級(jí)鎖需要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖
• 標(biāo)志位變成10，后面等待的線程將會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)；

釋放鎖

輕量級(jí)鎖的釋放也是通過(guò)CAS操作來(lái)進(jìn)行的，主要步驟如下：

• 取出在獲取輕量級(jí)鎖保存在Displaced Mark Word中的數(shù)據(jù)；
• 用CAS操作將取出的數(shù)據(jù)替換當(dāng)前對(duì)象的Mark Word中，如果成功，則說(shuō)明釋放鎖成功，否則執(zhí)行（3）；
• 如果CAS操作替換失敗，說(shuō)明有其他線程嘗試獲取該鎖，則需要在釋放鎖的同時(shí)需要喚醒被掛起的線程。

對(duì)于輕量級(jí)鎖，其性能提升的依據(jù)是“對(duì)于絕大部分的鎖，在整個(gè)生命周期內(nèi)都是不會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)的”，如果打破這個(gè)依據(jù)則除了互斥的開(kāi)銷外，還有額外的CAS操作，因此在有多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下，輕量級(jí)鎖比重量級(jí)鎖更慢；

重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖通過(guò)對(duì)象內(nèi)部的監(jiān)視器（monitor）實(shí)現(xiàn)，其中monitor的本質(zhì)是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，切換成本非常高。

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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