java synchronized的实现原理

面试经常被问道synchronized关键字，有的是以题目的形式让你判断能不能执行，有的直接问实现原理，今天梳理一下

使用方式

Java中每一个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础：

1. 普通同步方法，锁是当前实例对象
2. 静态同步方法，锁是当前类的class对象
3. 同步方法块，锁是括号里面的对象
   当一个线程访问同步代码块时，它首先是需要得到锁才能执行同步代码，当退出或者抛出异常时必须要释放锁，那么它是如何来实现这个机制的呢？我们先看一段简单的代码：

public class AA {
	int i = 0;

	public void add() {
		synchronized (this) {
			i++;
		}
	}
	
	public synchronized void del(){
		
	}

}

编译上树代码并使用 javap 反编译后得到字节码：

javap -v -c -s -l AA.class
Classfile /Users/zzx/Documents/workspace/Algorithm/src/com/zzx/algorithm/AA.class
  Last modified 2019-6-22; size 402 bytes
  MD5 checksum eeae10f3fb4d4293960e49343032f248
  Compiled from "AA.java"
public class com.zzx.algorithm.AA
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
  //........省略常量池中数据
  //构造函数
  {
  int i;
    descriptor: I
    flags:
  public com.zzx.algorithm.AA();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: aload_0
         5: iconst_0
         6: putfield      #2                  // Field i:I
         9: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 4

  public void add();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter // 监视器进入 获取锁
         4: aload_0
         5: dup
         6: getfield      #2                  // Field i:I
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putfield      #2                  // Field i:I
        14: aload_1
        15: monitorexit  // 监视器退出 释放锁
        16: goto          24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:
       //省略其他字节码.......
     //  同步方法
       public synchronized void del();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED // 方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return
      LineNumberTable:
        line 14: 0
}

}
SourceFile: "AA.java"

同步代码块：从字节码中可知同步语句块的实现使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令 .
对于synchronized语句当Java源代码被javac编译成bytecode的时候，会在同步块的入口位置和退出位置分别插入monitorenter和monitorexit字节码指令。JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联，当且一个monitor被持有之后，他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor所有权，即尝试获取对象的锁；
同步方法:
从字节码中可以看出，synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。

Java对象头

synchronized使用的锁是存放在Java对象头里面，具体位置是对象头里面的MarkWord，MarkWord里默认数据是存储对象的HashCode等信息，但是会随着对象的运行改变而发生变化，不同的锁状态对应着不同的记录存储方式，可能值如下所示：

无锁状态 ： 对象的HashCode + 对象分代年龄 + 状态位001

Monitor Record

Monitor Record是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor record关联（对象头的MarkWord中的LockWord指向monitor record的起始地址），同时monitor record中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。如下图所示为Monitor Record的内部结构

Owner：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL；

EntryQ:关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程。

RcThis:表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数。

Nest:用来实现重入锁的计数。

HashCode:保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。

Candidate:用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。

Java虚拟机对synchronized的优化

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级，关于重量级锁，前面我们已详细分析过，下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段，这里并不打算深入到每个锁的实现和转换过程更多地是阐述Java虚拟机所提供的每个锁的核心优化思想，毕竟涉及到具体过程比较繁琐，如需了解详细过程可以查阅《深入理解Java虚拟机原理》。

偏向锁

偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

轻量级锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间，如下StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。
以上概念摘自（https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483）

注意点：

synchronized的可重入性
从互斥锁的设计上来说，当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，这种情况属于重入锁，请求将会成功，在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    static int j=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){

            //this,当前实例对象锁
            synchronized(this){
                i++;
                increase();//synchronized的可重入性
            }
        }
    }

    public synchronized void increase(){
        j++;
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

正如代码所演示的，在获取当前实例对象锁后进入synchronized代码块执行同步代码，并在代码块中调用了当前实例对象的另外一个synchronized方法，再次请求当前实例锁时，将被允许，进而执行方法体代码，这就是重入锁最直接的体现，需要特别注意另外一种情况，当子类继承父类时，子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor实现的，因此每次重入，monitor中的计数器仍会加1。
线程中断与synchronized
关于怎么停止线程可以看我的另一篇文章java 停止线程的正确方式
事实上线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用，也就是对于synchronized来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种，要么它获得这把锁继续执行，要么它就保存等待，即使调用中断线程的方法，也不会生效。演示代码如下

public class SynchronizedBlocked implements Runnable{

    public synchronized void f() {
        System.out.println("Trying to call f()");
        while(true) // Never releases lock
            Thread.yield();
    }

    /**
     * 在构造器中创建新线程并启动获取对象锁
     */
    public SynchronizedBlocked() {
        //该线程已持有当前实例锁
        new Thread() {
            public void run() {
                f(); // Lock acquired by this thread
            }
        }.start();
    }
    public void run() {
        //中断判断
        while (true) {
            if (Thread.interrupted()) {
                System.out.println("中断线程!!");
                break;
            } else {
                f();
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedBlocked sync = new SynchronizedBlocked();
        Thread t = new Thread(sync);
        //启动后调用f()方法,无法获取当前实例锁处于等待状态
        t.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //中断线程,无法生效
        t.interrupt();
    }
}

我们在SynchronizedBlocked构造函数中创建一个新线程并启动获取调用f()获取到当前实例锁，由于SynchronizedBlocked自身也是线程，启动后在其run方法中也调用了f()，但由于对象锁被其他线程占用，导致t线程只能等到锁，此时我们调用了t.interrupt();但并不能中断线程。

实现目标

synchronized可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入到临界区，同时它还可以保证共享变量的内存可见性