synchronized 实现原理与应用

一 、synchronized 实现原理与应用

1.1、synchronized作用

关键字synchronized的作用是实现线程间的同步。它的工作是对同步代码块区加锁，在同一时刻，只有一个线程进入同步代码块区，从而保证线程间的安全；

1.2、synchronized用法

• 指定加锁对象：对指定对象加锁，进入临界区前要获得指定对象的锁；
• 直接作用于实例方法：相当于对当前实例加锁，进入临界区前要获得当前实例对象的锁；
• 直接作用于静态方法：相当于对当前类加锁，进入临界区前要获得当前类的锁；

1.3、synchronized实现原理

在多线程并发中synchronized关键字是元老级别的，很多人都称呼它是重量级锁。但是Java SE 1.6对synchronized进行了各种优化，引入了偏向锁和轻量级锁为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗。

当一个线程试图进入同步代码块前，必须获得锁，退出或抛出异常时必须释放锁。

从JVM规范可以看到synchronized的实现原理，JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者实现的细节不一样，代码块同步是使用monitorenter和monotorexit指令实现，而方法同步使用另一种实现，细节在JVM规范中没有详细说明。同步代码块开始位置在编译后插入monitorenter指令，而同步代码块结束和异常的位置插入monitorexit指令。

1.3.1 java对象头

那么锁到底是存在哪里？锁里会存储怎么样的信息？

synchronizeds用的锁是存在java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个子宽(work)存储对象头，如果对象是非数组类型，则虚拟机用2个子宽(work)存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit，如下表：

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java对象头里的Mark word 里默认存储对象的Hashcode、分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark work的默认存储结构如下表：

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在运行期间，Mark work 里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark work 可能会存储以下四种数据，如下表：

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在64位虚拟机下，Mark work是64bit的大小，其存储结构如下表：

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1.3.2 锁的升级与对比

java SE 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"，在java SE 1.6中，锁一共有四种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级，锁可以升级当是不可以降级，意味着偏向锁升级为轻量级锁后不能降级为偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为提高获取锁和释放锁的效率。

偏向锁

HotSpot [1] 的作者经过研究发现，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，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。图2-1中的线程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程。

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关闭偏向锁

偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

轻量级锁解锁

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。图2-2是两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。

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因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

锁的优缺点对比

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本文参考书籍
《Java并发编程的艺术》
《实战Java高并发程序设计》