Java并发编程之synchronized原理

synchronized内置锁是一种对象锁(锁的是对象而非引用)，作用粒度是对象，可以用来实现对临界资源的同步互斥访问，是可重入的。

1. 加锁的方式

• 同步实例方法，锁是当前实例对象
• 同步类方法，锁是当前类对象
• 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。当然，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。

synchronized编译图

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：

监视器锁

2.1 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，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。

• 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：
  • 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；
  • b. 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；
  • c. 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； 通过上面两段描述，我们应该能很清楚的看出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。

看一个同步方法：

package it.yg.juc.sync; 
public class SynchronizedMethod { 
    public synchronized void method() { 
            System.out.println("Hello World!");
    } 
}

反编译结果:

反编译结果

从编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED 标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：

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，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。

两种同步方式本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥原语mutex来实现，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切 换，对性能有较大影响。

2.2 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，其主要数据结构如下（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 ; 
}

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count的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)；

同时，Monitor对象存在于每个Java对象的对象头MarkWord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notify/notifyAll/wait等方法会使用到Monitor锁对象，所以必须
在同步代码块中使用。监视器Monitor有两种同步方式：互斥与协作。多线程环境下线程之间如果需要共享数据，需要解决互斥访问数据的问题，监视器可以确保监视器上的数据在同一时刻只会有一个线程在访问。

3 锁的分类与升级

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，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏 向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。

3.1 无锁

无锁是指没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

3.2 偏向锁

HotSpot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MarkWord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。

3.2.1 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。

3.2.2 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。

3.2.3 偏向锁初始化过程

偏向锁初始化过程

3.3 轻量级锁

3.3.1 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MarkWord复制到锁记录中，官方称为DisplacedMarkWord。然后线程尝试使用 CAS将对象头中的MarkWord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。

3.3.2 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。

3.3.3 锁膨胀

锁膨胀

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。

3.4 重量级锁

即当有其他线程占用锁时，当前线程会进入阻塞状态

3.5 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，如下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