synchronized的实现原理
synchronized关键字
基本使用
Java语言的关键字，可用来给对象和方法或者代码块加锁，当它锁定一个方法或者一个代码块的时候，同一时刻最多只有一个线程执行这段代码。
**当两个并发线程访问同一个对象object中的这个加锁同步代码块时，一个时间内只能有一个线程得到执行。**另一个线程必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块。然而，当一个线程访问object的一个加锁代码块时，另一个线程仍可以访问该object中的非加锁代码块。
代码实现
package com.wnhz.smart.order.proxy.lock;
/**
* @author Hao
* @date 2023-11-30 19:34
*/
public class SyncTest {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
Thread a1 = new Thread(a::syncA);
Thread a2 = new Thread(a::syncB);
Thread a3 = new Thread(a::norC);
a1.start();
a2.start();
a3.start();
B b = new B();
Thread b1 = new Thread(b::norA);
Thread b2 = new Thread(b::norB);
b1.start();
b2.start();
}
}
class A {
synchronized void syncA() {
System.out.println("我是被锁的A方法！");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
synchronized void syncB() {
System.out.println("我是被锁的B方法！");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
void norC() {
System.out.println("我是正常的C方法！");
}
}
class B {
void norA() {
System.out.println("我是正常的A方法！");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
void norB() {
System.out.println("我是正常的B方法！");
}
}
结果
如果A类的syncA()方法先执行那么syncB()方法一定最后执行，反过来如果A类的syncB()方法先执行那么syncA()方法一定最后执行，其次A类的norC()方法正常执行。
作用
在多线程的环境下，多个线程同时访问共享资源会出现一些问题，而synchronized关键字则是用来保证线程同步的。
特性
synchronized关键字有三大特性：原子性、可见性、有序性。
- 原子性：一个或多个操作要么全部执行成功，要么全部执行失败。
synchronized关键字可以保证只有一个线程拿到锁，访问共享资源。 - 可见性：当一个线程对共享变量进行修改后，其他线程可以立刻看到。执行
synchronized时，会对应执行lock、unlock原子操作，保证可见性。 - 有序性：程序的执行顺序会按照代码的先后顺序执行。
还有一个经常与synchronized一同提起的volatile关键字只能保证可见性和有序性，不能保证原子性，也称为是轻量级的synchronized。
锁
synchronized关键字可以加锁，那么它是什么类型的锁呢？这就要先知道java中都有哪些类型的锁：乐观锁、悲观锁、公平锁、非公平锁、偏向锁、 轻量级锁、重量级锁、 可重入锁 、不可重入锁、共享锁和排他锁等。
synchronized关键字实现的锁有：
- 悲观锁：
synchronized关键字实现的是悲观锁，每次访问共享资源时都会上锁。 - 非公平锁：
synchronized关键字实现的是非公平锁，即线程获取锁的顺序并不一定是按照线程阻塞的顺序。 - 可重入锁：
synchronized关键字实现的是可重入锁，即已经获取锁的线程可以再次获取锁。 - 独占锁也叫排他锁：
synchronized关键字实现的是独占锁，即该锁只能被一个线程所持有，其他线程均被阻塞。
使用方式
synchronized主要有三种使用方式：修饰普通同步方法、修饰静态同步方法、修饰同步方法块。
底层原理
在jdk1.6之前，synchronized被称为重量级锁，在jdk1.6中，为了减少获得锁和释放锁带来的性能开销，引入了偏向锁和轻量级锁。下面先介绍jdk1.6之前的synchronized原理。
对象头
在HotSpot虚拟机中，Java对象在内存中的布局大致可以分为三部分：对象头、实例数据和填充对齐。因为synchronized用的锁是存在对象头里的，这里我们需要重点了解对象头。如果对象头是数组类型，则对象头由Mark Word、Class MetadataAddress和Array length组成，如果对象头非数组类型，对象头则由Mark Word和Class MetadataAddress组成。
其中我们需要重点掌握的是Mark Word。
Mark Word
在运行期间，Mark Word中存储的数据会随着锁标志位的变化而变化，在32位虚拟机中，不同状态下的组成如下：
其中线程ID表示持有偏向锁线程的ID，Epoch表示偏向锁的时间戳，偏向锁和轻量级锁是在jdk1.6中引入的。
重量级锁的底部实现原理：Monitor
在jdk1.6之前，synchronized只能实现重量级锁，Java虚拟机是基于Monitor对象来实现重量级锁的，所以首先来了解下Monitor，在Hotspot虚拟机中，Monitor是由ObjectMonitor实现的，其源码是用C++语言编写的。其中 _owner、_WaitSet和_EntryList 字段是我们探讨的重点，它们之间的转换关系如下图
从上图可以总结获取Monitor和释放Monitor的流程如下：
- 当多个线程同时访问同步代码块时，首先会进入到EntryList中，然后通过CAS的方式尝试将Monitor中的owner字段设置为当前线程，同时count加1，若发现之前的owner的值就是指向当前线程的，recursions也需要加1。如果CAS尝试获取锁失败，则进入到EntryList中。
- 当获取锁的线程调用
wait()方法，则会将owner设置为null，同时count减1，recursions减1，当前线程加入到WaitSet中，等待被唤醒。 - 当前线程执行完同步代码块时，则会释放锁，count减1，recursions减1。当recursions的值为0时，说明线程已经释放了锁。
这里为什么
wait()、notify()方法需要借助ObjectMonitor对象内部方法来完成。
synchronized作用于同步代码块的实现原理
反编译后发现同步代码块的实现是由
monitorenter和monitorexit指令完成的，其中monitorenter指令所在的位置是同步代码块开始的位置，第一个monitorexit指令是用于正常结束同步代码块的指令，第二个monitorexit指令是用于异常结束时所执行的释放Monitor指令.
synchronized作用于同步方法原理
反编译后发现这个没有
monitorenter和monitorexit这两个指令了，而在查看该方法的class文件的结构信息时发现了Access flags后边的synchronized标识，该标识表明了该方法是一个同步方法。Java虚拟机通过该标识可以来辨别一个方法是否为同步方法，如果有该标识，线程将持有Monitor，在执行方法，最后释放Monitor。
总结
Java虚拟机是通过进入和退出Monitor对象来实现代码块同步和方法同步的，代码块同步使用的是monitorenter和 monitorexit 指令实现的，而方法同步是通过Access flags后面的标识来确定该方法是否为同步方法。
Jdk1.6为什么要对synchronized进行优化？
因为Java虚拟机是通过进入和退出Monitor对象来实现代码块同步和方法同步的，而Monitor是依靠底层操作系统的Mutex Lock来实现的，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到内核态，这个切换成本比较高，对性能影响较大。
jDK1.6对synchronized做了哪些优化？
锁的升级
在JDK1.6中，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，锁的状态变成了四种，如下图所示。锁的状态会随着竞争激烈逐渐升级，但通常情况下，锁的状态只能升级不能降级。这种只能升级不能降级的策略是为了提高获得锁和释放锁的效率。
偏向锁
引入偏向锁的目的：减少只有一个线程执行同步代码块时的性能消耗，即在没有其他线程竞争的情况下，一个线程获得了锁。
偏向锁的获取流程：
- 检查对象头中Mark Word是否为可偏向状态，如果不是则直接升级为轻量级锁。
- 如果是，判断Mark Work中的线程ID是否指向当前线程，如果是，则执行同步代码块。
- 如果不是，则进行CAS操作竞争锁，如果竞争到锁，则将Mark Work中的线程ID设为当前线程ID，执行同步代码块。
- 如果竞争失败，升级为轻量级锁。
偏向锁的撤销：
只有等到竞争，持有偏向锁的线程才会撤销偏向锁。偏向锁撤销后会恢复到无锁或者轻量级锁的状态。
- 偏向锁的撤销需要到达全局安全点，全局安全点表示一种状态，该状态下所有线程都处于暂停状态。
- 判断锁对象是否处于无锁状态，即获得偏向锁的线程如果已经退出了临界区，表示同步代码已经执行完了。重新竞争锁的线程会进行CAS操作替代原来线程的ThreadID。
- 如果获得偏向锁的线程还处于临界区之内，表示同步代码还未执行完，将获得偏向锁的线程升级为轻量级锁。
总结偏向锁的原理
使用CAS操作将当前线程的ID记录到对象的Mark Word中。
轻量级锁
引入轻量级锁的目的：在多线程交替执行同步代码块时（未发生竞争），避免使用互斥量（重量锁）带来的性能消耗。但多个线程同时进入临界区（发生竞争）则会使得轻量级锁膨胀为重量级锁。
轻量级锁的获取流程：
- 首先判断当前对象是否处于一个无锁的状态，如果是，Java虚拟机将在当前线程的栈帧建立一个锁记录（Lock Record），用于存储对象目前的Mark Word的拷贝。
- 将对象的Mark Word复制到栈帧中的Lock Record中，并将Lock Record中的owner指向当前对象，并使用CAS操作将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。
- 如果第二步执行成功，表示该线程获得了这个对象的锁，将对象Mark Word中锁的标志位设置为“00”，执行同步代码块。
- 如果第二步未执行成功，需要先判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，表示当前线程已经持有了当前对象的锁，这是一次重入，直接执行同步代码块。如果不是表示多个线程存在竞争，该线程通过自旋尝试获得锁，即重复步骤2，自旋超过一定次数，轻量级锁升级为重量级锁。
轻量级锁的解锁
轻量级的解锁同样是通过CAS操作进行的，线程会通过CAS操作将Lock Record中的Mark Word（官方称为Displaced Mark Word）替换回来。如果成功表示没有竞争发生，成功释放锁，恢复到无锁的状态；如果失败，表示当前锁存在竞争，升级为重量级锁。
总结轻量级锁的原理
将对象的Mark Word复制到当前线程的Lock Record中，并将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。
自旋锁
Java锁的几种状态并不包括自旋锁，当轻量级锁的竞争就是采用的自旋锁机制。
什么是自旋锁
当线程A已经获得锁时，线程B再来竞争锁，线程B不会直接被阻塞，而是在原地循环 等待，当线程A释放锁后，线程B可以马上获得锁。
引入自旋锁的原因
因为阻塞和唤起线程都会引起操作系统用户态和核心态的转变，对系统性能影响较大，而自旋等待可以避免线程切换的开销。
自旋锁的缺点
自旋等待虽然可以避免线程切花的开销，但它也会占用处理器的时间。如果持有锁的线程在较短的时间内释放了锁，自旋锁的效果就比较好，如果持有锁的线程很长时间都不释放锁，自旋的线程就会白白浪费资源，所以一般线程自旋的次数必须有一个限制，该次数可以通过参数-XX:PreBlockSpin调整，一般默认为10。
自适应自旋锁
JDK1.6引入了自适应自旋锁，自适应自旋锁的自旋次数不在固定，而是由上一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定的。如果对于某个锁对象，刚刚有线程自旋等待成功获取到锁，那么虚拟机将认为这次自旋等待的成功率也很高，会允许线程自旋等待的时间更长一些。如果对于某个锁对象，线程自旋等待很少成功获取到锁，那么虚拟机将会减少线程自旋等待的时间。
偏向锁、轻量级锁、重量级锁的对比
锁消除
锁消除是指Java虚拟机在即时编译时，通过对运行上下的扫描，消除那些不可能存在共享资源竞争的锁。锁消除可以节约无意义的请求锁时间。
锁粗化
一般情况下，为了提高性能，总是将同步块的作用范围限制到最小，这样可以使得需要同步的操作尽可能地少。但如果一系列连续的操作一直对某个对象反复加锁和解锁，频繁地进行互斥同步操作也会引起不必要的性能消耗。
如果虚拟机检测到有一系列操作都是对某个对象反复加锁和解锁，会将加锁同步的范围粗化到整个操作序列的外部。可以看下面这个经典案例。
for(int i=0;i<n;i++){
synchronized(lock){
}
}
这段代码会导致频繁地加锁和解锁，锁粗化后
synchronized(lock){
for(int i=0;i<n;i++){
}
}
最后有几个问题
当线程1进入到一个对象的synchronized方法A后，线程2是否可以进入到此对象的synchronized方法B?
不能，线程2只能访问该对象的非同步方法。因为执行同步方法时需要获得对象的锁，而线程1在进入
sychronized修饰的方A时已经获取到了锁，线程2只能等待，无法进入到synchronized修饰的方法B，但可以进入到其他非synchronized修饰的方法。
synchronized和volatile的区别？
volatile主要是保证内存的可见性，即变量在寄存器中的内存是不确定的，需要从主存中读取。synchronized主要是解决多个线程访问资源的同步性。volatile作用于变量，synchronized作用于代码块或者方法。volatile仅可以保证数据的可见性，不能保证数据的原子性。synchronized可以保证数据的可见性和原子性。volatile不会造成线程的阻塞，synchronized会造成线程的阻塞。
synchronized和Lock的区别？
- Lock是显示锁，需要手动开启和关闭。synchronized是隐士锁，可以自动释放锁。
- Lock是一个接口，是JDK实现的。synchronized是一个关键字，是依赖JVM实现的。
- Lock是可中断锁，synchronized是不可中断锁，需要线程执行完才能释放锁。
- 发生异常时，Lock不会主动释放占有的锁，必须通过unlock进行手动释放，因此可能引发死锁。synchronized在发生异常时会自动释放占有的锁，不会出现死锁的情况。
- Lock可以判断锁的状态，synchronized不可以判断锁的状态。
- Lock实现锁的类型是可重入锁、公平锁。synchronized实现锁的类型是可重入锁，非公平锁。
- Lock适用于大量同步代码块的场景，synchronized适用于少量同步代码块的场景。
参考原文：面试官：请详细说下synchronized的实现原理