java并发之synchronized实现原理

同步代码块

同步代码块使用monitorenter和monitorexit两个指令实现。 The Java® Virtual Machine Specification 中有关于这两个指令的介绍：

monitorenter

Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitor associated with objectref, as follows:

If the entry count of the monitor associated with objectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The thread is then the owner of the monitor.

If the thread already owns the monitor associated with objectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count.

If another thread already owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor’s entry count is zero, then tries again to gain ownership.

monitorexit

The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated with the instance referenced by objectref.

The thread decrements the entry count of the monitor associated with objectref. If as a result the value of the entry count is zero, the thread exits the monitor and is no longer its owner. Other threads that are blocking to enter the monitor are allowed to attempt to do so.

大致内容如下： 可以把执行monitorenter指令理解为加锁，执行monitorexit理解为释放锁。 每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为0，当一个线程获得锁（执行monitorenter）后，该计数器自增变为 1 ，当同一个线程再次获得该对象的锁的时候，计数器再次自增。当同一个线程释放锁（执行monitorexit指令）的时候，计数器再自减。当计数器为0的时候。锁将被释放，其他线程便可以获得锁。

synchronized 的特性

• 原子性

在第一个线程获取到锁之后，在他执行完之前不允许其他的线程获取锁并操作共享数据，从而保证了程序的原子性。synchronized保证原子性的原理，synchronized保证只有一个线程拿到锁，能够进入同步代码块

• 可见性

volatile关键字

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• 有序性

为了提高程序的执行效率，编译器和CPU会对程序中代码进行重排序。
synchronized后，虽然进行了重排序，保证只有一个线程会进入同步代码块，也能保证有序性。
synchronized保证有序性的原理，我们加synchronized后，依然会发生重排序，只不过，我们有同步代码块，可以保证只有一个线程执行同步代码中的代码。保证有序性

• 可重入性

一个线程可以多次执行synchronized,重复获取同一把锁。
原理：
synchronized的锁对象中有一个计数器（recursions变量）会记录线程获得几次锁
synchronized是可重入锁，内部锁对象中会有一个计数器记录线程获取几次锁了，在执行完同步代码块时，计数器的数量会-1，直到计数器的数量为0，就释放这个锁
好处：
1.可以避免死锁
2.可以让我们更好的来封装代码

synchronized 锁优化

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗引入

• 锁升级：

无锁状态 ——>偏向锁——> 轻量级锁——>重量级锁

• 偏向锁

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。偏向锁是为了在只有一个线程执行同步块时提高性能。
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。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令（由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁，所以偏向锁的撤销操作的性能损耗必须小于节省下来的CAS原子指令的性能消耗）。

偏向锁获取过程：
（1）访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为01——确认为可偏向状态。
（2）如果为可偏向状态，则测试线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤（5），否则进入步骤（3）。
（3）如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，然后执行（5）；如果竞争失败，执行（4）。
（4）如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争（CAS获取偏向锁失败说明至少有过其他线程曾经获得过偏向锁，因为线程不会主动去释放偏向锁）。当到达全局安全点（safepoint）时，会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着（因为可能持有偏向锁的线程已经执行完毕，但是该线程并不会主动去释放偏向锁），如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态（标志位为“01”），然后重新偏向新的线程；如果线程仍然活着，撤销偏向锁后升级到轻量级锁状态（标志位为“00”），此时轻量级锁由原持有偏向锁的线程持有，继续执行其同步代码，而正在竞争的线程会进入自旋等待获得该轻量级锁。
（5）执行同步代码。

偏向锁的释放过程：
如上步骤（4）。偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放偏向锁的机制：偏向锁只有遇到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，线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

关闭偏向锁：
偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的。由于偏向锁是为了在只有一个线程执行同步块时提高性能，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。

• 轻量级锁

轻量级锁是为了在线程近乎交替执行同步块时提高性能。

轻量级锁的加锁过程：
（1）在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word。这时候线程堆栈与对象头的状态如下图所示。

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（2）拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
（3）拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤（3），否则执行步骤（4）。
（4）如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如下图所示。

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（5）如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，若当前只有一个等待线程，则可通过自旋稍微等待一下，可能另一个线程很快就会释放锁。 但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁膨胀为重量级锁，重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞，防止CPU空转，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

轻量级锁的解锁过程：
（1）通过CAS操作尝试把线程中复制的Displaced Mark Word对象替换当前的Mark Word。
（2）如果替换成功，整个同步过程就完成了。
（3）如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁（此时锁已膨胀），那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

• 重量级锁

如上轻量级锁的加锁过程步骤（5），轻量级锁所适应的场景是线程近乎交替执行同步块的情况，如果存在同一时间访问同一锁的情况，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。Mark Word的锁标记位更新为10，Mark Word指向互斥量（重量级锁）
Synchronized的重量级锁是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的。而操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。

• 锁升级总结

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当没有线程访问锁的时候是无锁状态；
当有一个线程持有锁上升为偏向锁状态；
当一个线程持有锁，另一个线程访问锁(准备竞争)，上升为轻量级锁状态；
当一个线程持有锁，另外有一个或一个以上的线程竞争锁或者一个线程竞争锁的次数达到一个峰值，上升为重量级锁；

总结

同步方法通过ACC_SYNCHRONIZED关键字隐式的对方法进行加锁。当线程要执行的方法被标注上ACC_SYNCHRONIZED时，需要先获得锁才能执行该方法。

同步代码块通过monitorenter和monitorexit执行来进行加锁。当线程执行到monitorenter的时候要先获得所锁，才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁。

每个对象自身维护这一个被加锁次数的计数器，当计数器数字为0时表示可以被任意线程获得锁。当计数器不为0时，只有获得锁的线程才能再次获得锁。即可重入锁。

参考博客：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/29866981
https://www.cnblogs.com/uniqueDong/p/10944371.html
https://www.hollischuang.com/archives/1883