Synchronized锁详解

在Java中，synchronized锁可能是我们最早接触的锁了，在 JDK1.5之前synchronized是一个重量级锁，相对于juc包中的Lock，synchronized显得比较笨重。

庆幸的是在 Java 6 之后 Java 官⽅对从 JVM 层⾯对synchronized进行⼤优化，所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错。

为什么呢？

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，Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程，都需要操作系统帮忙完成，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态，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。

庆幸的是在 Java 6 之后 Java 官方对从 JVM 层面对 synchronized 较大优化，所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错了。JDK1.6 对锁的实现引入了大量的优化，如自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁等技术来减少锁操作的开销，后续都有细节说明。
 

1. synchronized的类别

synchronized 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(class) 代码块上都是是给 Class 类上锁。

synchronized 关键字加到实例方法上是给对象实例上锁。

小结：

经典代码示例：

public class Singleton {
    //保证有序性，防止指令重排
    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public  static Singleton getUniqueInstance() {
       //先判断对象是否已经实例过，没有实例化过才进入加锁代码
        if (uniqueInstance == null) {
            //类对象加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

2. synchronized作用

• （1）、原子性：所谓原子性就是指一个操作或者多个操作，要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。被synchronized修饰的类或对象的所有操作都是原子的，因为在执行操作之前必须先获得类或对象的锁，直到执行完才能释放。
• （2）、可见性：**可见性是指多个线程访问一个资源时，该资源的状态、值信息等对于其他线程都是可见的。 **synchronized和volatile都具有可见性，其中synchronized对一个类或对象加锁时，一个线程如果要访问该类或对象必须先获得它的锁，而这个锁的状态对于其他任何线程都是可见的，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到共享内存当中，保证资源变量的可见性。
• （3）、有序性：有序性值程序执行的顺序按照代码先后执行。 synchronized和volatile都具有有序性，Java允许编译器和处理器对指令进行重排，但是指令重排并不会影响单线程的顺序，它影响的是多线程并发执行的顺序性。synchronized保证了每个时刻都只有一个线程访问同步代码块，也就确定了线程执行同步代码块是分先后顺序的，保证了有序性。

3. synchronized底层实现原理

synchronized底层实现主要依赖java对象头和monitor：

java对象头

java实例对象存储在Hotspot虚拟中主要包括三个模块，如下图：

这里主要讲解一下对象头的组成，如下图：

对象头中，涉及锁部分的markWord我们这里着重讲解一下，构成如下图：

 

监视器（Monitor）

任何一个对象都有一个Monitor与之关联，当且一个Monitor被持有后，它将处于锁定状态。Synchronized在JVM里的实现都是 基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，虽然具体实现细节不一样，但是都可以通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现。

1. MonitorEnter指令：插入在同步代码块的开始位置，当代码执行到该指令时，将会尝试获取该对象Monitor的所有权，即尝试获得该对象的锁；
2. MonitorExit指令：插入在方法结束处和异常处，JVM保证每个MonitorEnter必须有对应的MonitorExit；

那什么是Monitor？可以把它理解为 一个同步工具，也可以描述为 一种同步机制，它通常被 描述为一个对象。

与一切皆对象一样，所有的Java对象是天生的Monitor，每一个Java对象都有成为Monitor的潜质，因为在Java的设计中 ，每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。

也就是通常说Synchronized的对象锁，MarkWord锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor是由ObjectMonitor实现的。

JVM底层原理

synchronized同步代码块的情况

public void method(){
        synchronized(this){
            System.out.println("代码块solo");
        }
    }

通过 JDK 自带的 javap 命令查看 SynchronizedDemo 类的相关字节码信息：首先切换到类的对应目录执行 javac SynchronizedDemo.java 命令生成编译后的 .class 文件，然后执行javap -c -s -v -l SynchronizedDemo.class。

从上面我们可以看出：

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 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，线程试图获取锁也就是获取 对象监视器 monitor 的持有权。

在 Java 虚拟机(HotSpot)中，Monitor 是基于 C++实现的，由ObjectMonitor实现的。每个对象中都内置了一个 ObjectMonitor对象。

另外，wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因（抛出该异常，表示一个线程已经尝试等待一个对象的监视器，或者通知正在等待一个对象的监视器的其他线程，而没有拥有指定的监视器）。

public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        try {
            o.wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        o.notify();
    }
//Exception in thread "main" java.lang.IllegalMonitorStateException
	//at java.lang.Object.wait(Native Method)
	//at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
	//at com.pingfa.two.lock.Test.main(Test.java:15)

synchronized 必须是进入同一个对象的monitor才有上述的效果。每一个对象会有一个monitor，不加synchronized的对象，不会关联监视器，不遵从以上规则。

在执行monitorenter时，会尝试获取对象的锁，如果锁的计数器为 0 则表示锁可以被获取，获取后将锁计数器设为 1 也就是加 1。

在执行 monitorexit 指令后，将锁计数器设为 0，表明锁被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。

synchronized同步方法的情况

public class SynchronizedDemo2 {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("synchronized 方法");
    }
}

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。

总结：
synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 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。

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。

不过两者的本质都是对对象监视器 monitor 的获取。

monitor的结构：

刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将Monitor的所有者 Owner 置为Thread-2 ，Monitor中只能有一个Owner
在Thread-2上锁的过程中，如果Thread-3，Thread-4，Thread-5也来执行synchronized(obj)，就会进入EntryList BLOCKED
Thread-2执行完同步代码块中的内容，然后唤醒EntryList中等待的线程来竞争锁，竞争时是非公平的
图中WaitSet中的Thread-0，Thread-1是之前获得过锁，但条件不满足进入WAITING状态的线程，在wait-notify中
synchronized 必须是进入同一个对象的monitor才有上述的效果。每一个对象会有一个monitor，不加synchronized的对象，不会关联监视器，不遵从以上规则。

4. synchronized锁状态及升级过程

 

 汇总及转换流程图：

   

5. 额外补充

 hotspot对锁进行升级，不仅可以锁消除，还可以锁粗化：

参考文章：

synchronized详解_万里长江雪的博客-CSDN博客_synchronized

synchronized详解 - 三分恶 - 博客园