synchronized原理（锁关键字）
多线程-同步锁相关文章
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----CAS原理详解
思维导图
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（1）synchronized底层语义原理
- java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)监视器对象实现， 无论是显式同步(有明确的monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代码块)还是隐式同步都是如此。在 Java 语言中，同步用的最多的地方可能是被Synchronized修饰的同步方法。同步方法并不是由 monitorenter 和monitorexit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法ACC_SYNCHRONIZED标志来隐式实现的
Java对象头与Monitor（监视器）
对象在JVM内存中的结构分为三块区域：
1. 对象头
2. 实例数据
3. 对齐填充
- 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个字节对齐
- 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
- Java头对象
它实现synchronized的锁对象的基础，这点我们重点分析它，一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的，jvm中采用2个字节来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)，其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address 组成
| 对象头结构 | 虚拟机位数（字节数） | 说明 |
|---|---|---|
Mark Word |
32/64bit | 存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息 |
Class Metadata Address |
32/64bit | 类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例 |
- Mark Word 结构
| 锁状态 | 25bit | 4bit | 1bit(是否偏向锁) | 2bit |
|---|---|---|---|---|
| 无锁状态 | 对象hashcode | 对象分代年龄 | 0 | 01 |
轻量级锁和偏向锁是Java 6 对 synchronized 锁进行优化后新增加的，重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁，锁标识位为10，其中指针指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor实现的。
- ObjectMonitor
主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; //记录个数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
_WaitSet = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
- Contention List：所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列
- Entry List：Contention List 中那些有资格成为候选人的线程被移到 Entry List
- Wait Set：那些调用 wait 方法被阻塞的线程被放置到 Wait Set
- OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为 OnDeck
- Owner：获得锁的线程称为 Owner
- !Owner：释放锁的线程
新请求锁的线程将首先被加入到ConetentionList中，当某个拥有锁的线程（Owner状态）调用unlock之后，如果发现EntryList为空则从ContentionList中移动线程到EntryList - ContentionList虚拟队列
ContentionList是一个虚拟队列，ContentionList是由Node及其next指针逻辑构成，并不是一个Queue的数据结构，ContentionList是一个后进先出（LIFO）的队列，每次新加入Node时都会在队头进行，通过CAS改变第一个节点的的指针为新增节点，同时设置新增节点的next指向后续节点，而取得操作则发生在队尾 - EntryList
EntryList与ContentionList逻辑上同属等待队列，ContentionList会被线程并发访问，为了降低对ContentionList队尾的争用，而建立EntryList，Owner线程在unlock时会从ContentionList中迁移线程到EntryList，并会指定EntryList中的某个线程（一般为Head）为Ready（OnDeck）线程，Owner线程并不是把锁传递给OnDeck线程，只是把竞争锁的权利交给OnDeck，OnDeck线程需要重新竞争锁，这样做虽然牺牲了一定的公平性，但极大的提高了整体吞吐量，在Hotspot中把OnDeck的选择行为称之为“竞争切换”
Owner线程才能从队尾取元素，线程出列操作无争用，避免了CAS的ABA问题
- OnDeck
OnDeck线程获得锁后即变为owner线程，无法获得锁则会依然留在EntryList中，考虑到公平性，在EntryList中的位置不发生变化（依然在队头），如果Owner线程被wait方法阻塞，则转移到WaitSet队列；如果在某个时刻被notify/notifyAll唤醒，则再次转移到EntryList - 同步流程
ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象)，_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程
- 当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 集合
- 当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器count加1
- 若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒
- 若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)
- 同步方法
调用指令读取运行时常量池中方法ACC_SYNCHRONIZED标志是否被设置了，如果被设置，执行线程将获取Monitor,成功获取将执行方法体，方法执行完后再释放Monitor
总结：
monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因
（2）synchronized的三种应用方式
- 修饰实例方法
作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
- 修饰静态方法
作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
- 修饰代码块
指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁
1、synchronized作用于实例方法
实例对象锁就是用synchronized修饰实例对象中的实例方法，注意是实例方法不包括静态方法
public class AccountingSync implements Runnable{
//共享资源(临界资源)
static int i=0;
/**
* synchronized 修饰实例方法
*/
public synchronized void increase(){
i++;
}
@Override
public void run() {
for(int j=0;j<1000000;j++){
increase();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AccountingSync instance=new AccountingSync();
Thread t1=new Thread(instance);
Thread t2=new Thread(instance);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
/**
* 输出结果:
* 2000000
*/
}
2、synchronized作用于静态方法
当synchronized作用于静态方法时，其锁就是当前类的class对象锁。由于静态成员不专属于任何一个实例对象，是类成员，因此通过class对象锁可以控制静态成员的并发操作。需要注意的是如果一个线程A调用一个实例对象的非static synchronized方法，而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的class对象，而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁
public class AccountingSyncClass implements Runnable{
static int i=0;
/**
* 作用于静态方法,锁是当前class对象,也就是
* AccountingSyncClass类对应的class对象
*/
public static synchronized void increase(){
i++;
}
/**
* 非静态,访问时锁不一样不会发生互斥
*/
public synchronized void increase4Obj(){
i++;
}
@Override
public void run() {
for(int j=0;j<1000000;j++){
increase();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//new新实例
Thread t1=new Thread(new AccountingSyncClass());
//new心事了
Thread t2=new Thread(new AccountingSyncClass());
//启动线程
t1.start();t2.start();
t1.join();t2.join();
System.out.println(i);
}
}
- synchronized关键字修饰的是静态increase方法，与修饰实例方法不同的是，其锁对象是当前类的class对象。注意代码中的increase4Obj方法是实例方法，其对象锁是当前实例对象，如果别的线程调用该方法，将不会产生互斥现象，毕竟锁对象不同，但我们应该意识到这种情况下可能会发现线程安全问题(操作了共享静态变量i)
3、synchronized同步代码块
public class AccountingSync implements Runnable{
static AccountingSync instance=new AccountingSync();
static int i=0;
@Override
public void run() {
//省略其他耗时操作....
//使用同步代码块对变量i进行同步操作,锁对象为instance
synchronized(instance){
for(int j=0;j<1000000;j++){
i++;
}
}
}
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);
}
}
- 将synchronized作用于一个给定的实例对象instance，即当前实例对象就是锁对象，每次当线程进入synchronized包裹的代码块时就会要求当前线程持有instance实例对象锁，如果当前有其他线程正持有该对象锁，那么新到的线程就必须等待，这样也就保证了每次只有一个线程执行i++;操作。当然除了instance作为对象外，我们还可以使用this对象(代表当前实例)或者当前类的class对象作为锁
//this,当前实例对象锁
synchronized(this){
for(int j=0;j<1000000;j++){
i++;
}
}
//class对象锁
synchronized(AccountingSync.class){
for(int j=0;j<1000000;j++){
i++;
}
}
（3）synchronized代码块底层原理
- synchronized修饰的同步代码块
public class SyncTest {
public int i;
public void syncTask(){
//同步代码库
synchronized (this){
i++;
}
}
}
- javap反编译后得到字节码
Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncCodeBlock.class
Last modified 2017-6-2; size 426 bytes
MD5 checksum c80bc322c87b312de760942820b4fed5
Compiled from "SyncTest .java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock
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
public com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
4: return
LineNumberTable:
line 7: 0
//===========主要看看syncTask方法实现================
public void syncTask();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=3, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter //注意此处，进入同步方法
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 //注意此处，退出同步方法
16: goto 24
19: astore_2
20: aload_1
21: monitorexit //注意此处，退出同步方法
22: aload_2
23: athrow
24: return
Exception table:
//省略其他字节码.......
}
SourceFile: "SyncCodeBlock.java"
- 重点代码
3: monitorenter //进入同步方法
//..........省略其他
15: monitorexit //退出同步方法
16: goto 24
//省略其他.......
21: monitorexit //退出同步方法
- monitorenter 和 monitorexit 指令
monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置
- 当执行monitorenter指令时，当前线程将试图获取 objectref(即对象锁) 所对应的 monitor 的持有权
- objectref 的 monitor 的进入计数器为 0，那线程可以成功取得 monitor，并将计数器值设置为 1，取锁成功
- 当前线程已经拥有 objectref 的 monitor 的持有权，那它可以重入这个 monitor (关于重入性稍后会分析)，重入时计数器的值也会加 1
- 倘若其他线程已经拥有 objectref 的 monitor 的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行线程执行完毕，即monitorexit指令被执行，执行线程将释放 monitor(锁)并设置计数器值为0 ，其他线程将有机会持有 monitor
- 为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令，从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令，它就是异常结束时被执行的释放monitor 的指令
（4）synchronized方法底层原理
- 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。在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间抛 出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放
public class SyncMethod {
public int i;
public synchronized void syncTask(){
i++;
}
}
- javap反编译后的字节码
Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncMethod.class
Last modified 2017-6-2; size 308 bytes
MD5 checksum f34075a8c059ea65e4cc2fa610e0cd94
Compiled from "SyncMethod.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncMethod
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool;
//省略没必要的字节码
//==================syncTask方法======================
public synchronized void syncTask();
descriptor: ()V
//方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
stack=3, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: getfield #2 // Field i:I
5: iconst_1
6: iadd
7: putfield #2 // Field i:I
10: return
LineNumberTable:
line 12: 0
line 13: 10
}
SourceFile: "SyncMethod.java"
1.synchronized锁在同步代码块和同步方法上实现的基本原理
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
2. synchronized优化
-
synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex
Lock来实现的，而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，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因 -
Java 6之后Java官方对从JVM层面对synchronized较大优化，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁
（5）Java虚拟机对synchronized的优化
1. 偏向锁
2. 轻量级锁
3. 自旋锁
4. 锁消除
- 偏向锁
由来： 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，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
原理： 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 - 轻量级锁
由来： 偏向锁失败后，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
原理： 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”，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
由来： 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，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，需要相对比较长的时间，时间成本相对较高
原理： 自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(自旋，50个循环或100循环)，如果得到锁，就顺利进入临界区。否则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 - 锁消除
原理： 消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，Java虚拟机在JIT编译时，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，节省毫无意义的请求锁时间
例子： 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
/**
* Created by zejian on 2017/6/4.
* 消除StringBuffer同步锁
*/
public class StringBufferRemoveSync {
public void add(String str1, String str2) {
//StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用
//因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(str1).append(str2);
}
public static void main(String[] args) {
StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
rmsync.add("abc", "123");
}
}
}
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