Synchronized底层实现原理

Synchronized底层实现原理

一、概述

1、Synchronized有什么用处？

​ 原子性：synchronized保证语句块内操作是原子的

​ 可见性：synchronized保证可见性（通过“在执行unlock之前，必须先把此变量同步回主内存”实现）

​ 有序性：synchronized保证有序性（通过“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”）

​ 相关锁类型：具有可重入锁、独占锁、非公平锁、悲观锁。

2、Synchronized如何使用？

​ 修饰实例方法，对当前实例对象加锁。

/**
 * synchronized 修饰实例方法
 */
public synchronized void increase(){
    i++;
}

​ 修饰静态方法，多当前类的Class对象加锁。

/**
 * synchronized 类对象加锁
 */
public static synchronized void increase(){
    i++;
}

​ 修饰代码块，对synchronized括号内的对象加锁。

/**
 * synchronized 实例对象锁类型--修饰代码块
 */
public void increase(){
    synchronized(this) {
        i++;
    }
}

 /**
  * synchronized 类对象锁类型--修饰代码块
  */
public void increase(){
    synchronized(Test.class) {
         i++;
    }
}

3、Java锁相关

​ 参考[美团技术文档—Java锁]

二、实现原理

1、jvm基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步。

​ 方法级的同步是隐式，即无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。当方法调用时，调用指令将会 检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有monitor（虚拟机规范中用的是管程一词）， 然后再执行方法，最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。

​ 代码块的同步是利用monitorenter和monitorexit这两个字节码指令。它们分别位于同步代码块的开始和结束位置。当jvm执行到monitorenter指令时，当前线程试图获取monitor对象的所有权，如果未加锁或者已经被当前线程所持有，就把锁的计数器+1；当执行monitorexit指令时，锁计数器-1；当锁计数器为0时，该锁就被释放了。如果获取monitor对象失败，该线程则会进入阻塞状态，直到其他线程释放锁。

2、Java对象头

​ HotSpot虚拟机中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

​

​ 对象头：主要包括两部分：Mark Word、类型指针(Class Metadata Address)；当对象为数组对象时，有一个Array Length。

​ Mark Word：本质上是堆当中的一段内存区域，32/64位机器的长度分别时32/64位。32为图解如下：

Class Metadata Address：指向方法区中的元数据的指针。

​ 实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

​ 填充数据：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。

3、锁优化

​ Synchronized是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的。而操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。因此，这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”。

​ Java 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”：锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。锁可以升级但不能降级。1.6版本以后，Java默认开始偏向锁。

​ 偏向锁：只有一个线程抢锁，可获取到偏向锁。记录当前线程ID，不解锁。优点：单个线程时拥有更好的性能。（jdk1.6引入）

​ 轻量级锁：当有两个线程争抢锁的时候，偏向锁升级成轻量级锁。CAS操作自旋尝试获取锁。优点：保持线程running状态，不释放cpu执行时间片，减少CPU线程切换的耗时。（jdk1.6引入）

核心思路：通过CAS修改Mark Word值，修改失败自旋。

​ 重量级锁： 等待线程自旋次数过多时、或超过两个线程线程抢锁时轻量级锁升级成重量级锁。使竞争线程阻塞并进入到锁池。优点：避免线程长时间自旋操作消耗cpu性能。缺点：线程间切换耗时。

锁只有升级没有降级。解锁

Monitor:

锁升级过程：

​ 综上，偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。