一篇文章彻底搞懂synchronized（深度剖析）

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前言

synchronized是什么？
synchronized解决了什么问题？
synchronized实现原理？
带着问题出发

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一、想知道synchronized之前，需要知道的以下几个问题

1、设计同步器的意义

在并发编程里，有可能会出现多个线程同时访问统一共享、可变资源，这个情况被视为临界资源。这种资源可以是变量、对象、文件等。
共享：资源可以由多个线程访问。
可变：资源可以在生命周期内被修改。

2、引出的问题

由于线程执行的过程是不可控的，所以需要采用同步机制来协同对对象可变资源的访问。

3、如何解决线程并发问题？

所有的并发模式在解决线程安全问题时，采用的方法都是序列化访问临界资源。即同一时刻只允许一个线程访问临界资源，也称作为同步互斥访问。java中提供了2种方式来实现同步互斥访问：synchronized 和 Lock。

同步的本质就是加锁！
不过有一点需要区别的是：多个线程执行执行同一个方法时，该方法的内部的局部变量并不是临界资源，因为这些局部变量都是私有的，所以不具备线程安全问题。只有那些可以共享并且可变的资源，才算是临界资源。

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二、synchronized是什么？

synchronized是java中的一个关键字，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、是可重入的锁。

2.1、使用的场景

同步实例方法：锁的是当前对象。
同步类方法：锁的是当前类对象。
同步代码块，锁的是括号里的对象。

2.2、什么是可重入锁？

可重入锁，又被称为递归锁。
即在一个synchronized方法/块的内部调用本类的其他synchronized方法/块时，是永远可以继续得到锁的。

可重入锁的好处：
1、可以避免死锁的情况。
2、可以递归调用，如果当前拿到锁的实例，在调用具有synchronized方法时，不需要再次尝试拿锁，直接直接获取到锁。

重入锁实现原理：
简单来说就是，为每个锁关联一个计数器和持有者线程，当计数器为0时候，这个锁被认为是没有被任何线程持有；
当有线程持有锁，计数器自增，并且记下锁的持有线程，当同一线程继续获取锁时候，计数器继续自增；当线程退出代码块时候，相应地计数器减1，直到计数器为0，锁被释放；此时这个锁才可以被其他线程获得。

简而言之，同一线程的外层函数获得锁之后，内层函数可以直接获取改锁，这样可以避免内外层死锁。

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三、synchronized底层原理实现

synchronized是基于JVM内置锁实现的，通过内部对象Monitor（监视器锁）实现，基于进入和退出，monitor对象实现和代码块的同步。
监视器锁的实现依赖底层操作系统的Mutex Lock（互斥锁）实现，他是一个重量级锁，性能低下。

在jdk版本1.5之后做了重大的优化，如锁粗化、锁消除、轻量级锁、偏向锁、适应性自旋等技术减少锁操作的开销，内置锁的并发性能基本和Lock性能持平。

synchronized的关键字在被编译成字节码后，会被翻译成monitorenter和monitorexit 二条指令分别在同步块逻辑的开始位置和结束位置。

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3.1、Monitor监视器锁

可以把它理解为一个同步工具，也可以理解是一种同步机制，它通常被描述为一个对象，所有的java对象都是天生的minitor，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对象都有一把看不见的锁，它叫做内部锁或者monitor锁。也就是通常说的synchronized对象锁。

加锁过程如下：
每个同步对象都有一个自己的Monitor（监视器锁，隐式的继承该锁）

mininor.Enter
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
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；

minitor.Exit
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，如果指令出现了两次，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的底层实现就是基于monitor的对象实现的，其实wait、notify等方法也是基于monitor对象，这也是为什么只有在同步块内才能使用wait/notify的原因。

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synchronized案例说明
看一个同步方法：

public class SynchronizedMethod {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

反编译后结果

注意：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：
1、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，
2、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。

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3.2、monitor的底层实现

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核心参数：
_WaitSet ：保存处于挂起（wait）状态的线程。
_EntryList ：保存处于阻塞(block)的线程。
_owner ：指向持有ObjectMonitor对象的线程。
_count : 记录当前线程的数量。（重入锁的加一，减一）。

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当多个线程同时访问一段同步代码时的执行步骤
1、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；。
2、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；
3、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)；

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3.3、对象的内存布局

Monitor对象存在于每个Java对象的对象头Mark Word中（存储的指针的指向），Synchronized锁便是通过这种方式获取锁。
HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

3.4、 对象头

对象头又包含3部分；
第一部分：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁等等，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
第二部分：元数据指针。
第三部分：数组长度。
java对象头一般占有2个机器码（1个机器码等于8字节，也就是64bit），但是如果对象是数组类型的话，则需要3个机器码，因为JVM虚拟机可以通过对象的元数据信息确定java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确定数组大小，所以用一块来记录数组长度。

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四、syn锁的优化

4.1、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。

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4.2、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。

1、为什么需要偏向锁?

经过研究发现，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，因此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。

2、偏向锁的核心思想、使用场景

如果一个线程获得了锁，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。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。

3、偏向锁什么时候失效？

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。

默认开启偏向锁
开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking

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4.3、轻量级锁：

1、为什么需要轻量级锁?

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”。

2、轻量级锁的核心思想、使用场景

轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合。

3、轻量级锁什么时候失效？

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。

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4.4、自旋锁：

1、为什么需要自旋锁?

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。

2、自旋锁的核心思想、使用场景

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).

3、自旋锁什么时候失效？

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。

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4.5、消除锁：

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。

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6、逃逸分析

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：
一、同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
二、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。
三、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。

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