Java并发系列一：synchronized详解（超详细）

一、synchronized是什么？

        synchronized是一种同步器，用来解决线程并发安全问题，采取的方案是序列化访问临界资源，也就是同步互斥访问。其本质就是加锁。

二、synchronized的工作原理是什么？

       1. synchronized是一种对象锁(锁的是对象而非引用)，是可重入的。其加锁的方式有三种：

                1）同步实例方法，锁是当前实例对象。

                2）同步类方法，锁是当前类对象。

                3）同步代码块，锁是括号里面的对象。

        2. synchronized底层原理

                synchronized是基于JVM内置锁实现，通过内部对象Monitor(监视器锁)实现，基于进入与退出Monitor对象实现方法与代码块同步，监视器锁的实现依赖底层操作系统的Mutex lock（互斥锁）实现，它是一个重量级锁性能较低。JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。 

        synchronized关键字被编译成字节码后会被翻译成monitorenter 和 monitorexit 两条指令分别在同步块逻辑代码的起始位置与结束位置。    

 

        每个同步对象都有一个自己的Monitor(监视器锁)，加锁过程如下图所示 

     Monitor监视器锁

        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，通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现。

        monitorenter：每个对象都是一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：
        1）如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者；
        2）如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1；
        3）如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权；
        monitorexit：执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。
        monitorexit，指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁；第2次为发生异步退出释放锁；
        Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实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。

三、锁的膨胀升级过程

        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。从JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁的，可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。下图为锁的升级全过程：

   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，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，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。对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果。但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。

        默认开启偏向锁

        开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

        关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking

  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。锁消除的依据是逃逸分析的数据支持。

        锁消除前提是java必须运行在server模式（server模式会比client模式作更多的优化），同时必须开启逃逸分析

        -XX:+DoEscapeAnalysis 开启逃逸分析

        -XX:+EliminateLocks 表示开启锁消除。

        逃逸分析

        使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

           1）同步省略。如果一个对象被发现只能被一个线程访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。

            2）将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分配。

            3）分离对象或标量替换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。

        是不是所有的对象和数组都会在堆内存分配空间？

        不一定

        在Java代码运行时，通过JVM参数可指定是否开启逃逸分析， -XX:+DoEscapeAnalysis ： 表示开启逃逸分析 -XX:-DoEscapeAnalysis ： 表示关闭逃逸分析。从jdk 1.7开始已经默认开启逃逸分析，如需关闭，需要指定-XX:-DoEscapeAnalysis

关于逃逸分析的案例

public class T0_ObjectStackAlloc {
    /**
     * 进行两种测试
     * 关闭逃逸分析，同时调大堆空间，避免堆内GC的发生，如果有GC信息将会被打印出来
     * VM运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 开启逃逸分析
     * VM运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 执行main方法后
     * jps 查看进程
     * jmap -histo 进程ID
     *
     */
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        //查看执行时间
        System.out.println("cost-time " + (end - start) + " ms");
        try {
            Thread.sleep(100000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
    }

    private static TulingStudent alloc() {
        //Jit对编译时会对代码进行 逃逸分析
        //并不是所有对象存放在堆区，有的一部分存在线程栈空间
        TulingStudent student = new TulingStudent();
        return student;
    }

    static class TulingStudent {
        private String name;
        private int age;
    }
}