如何深入分析synchronized的實(shí)現(xiàn)原理

如何深入分析synchronized的實(shí)現(xiàn)原理，很多新手對(duì)此不是很清楚，為了幫助大家解決這個(gè)難題，下面小編將為大家詳細(xì)講解，有這方面需求的人可以來(lái)學(xué)習(xí)下，希望你能有所收獲。

記得剛剛開(kāi)始學(xué)習(xí)Java的時(shí)候，一遇到多線程情況就是synchronized，相對(duì)于當(dāng)時(shí)的我們來(lái)說(shuō)synchronized是這么的神奇而又強(qiáng)大，那個(gè)時(shí)候我們賦予它一個(gè)名字“同步”，也成為了我們解決多線程情況的百試不爽的良藥。但是，隨著我們學(xué)習(xí)的進(jìn)行我們知道synchronized是一個(gè)重量級(jí)鎖，相對(duì)于Lock，它會(huì)顯得那么笨重，以至于我們認(rèn)為它不是那么的高效而慢慢摒棄它。

誠(chéng)然，隨著Javs SE 1.6對(duì)synchronized進(jìn)行的各種優(yōu)化后，synchronized并不會(huì)顯得那么重了。下面跟隨LZ一起來(lái)探索synchronized的實(shí)現(xiàn)機(jī)制、Java是如何對(duì)它進(jìn)行了優(yōu)化、鎖優(yōu)化機(jī)制、鎖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和升級(jí)過(guò)程；

實(shí)現(xiàn)原理

synchronized可以保證方法或者代碼塊在運(yùn)行時(shí)，同一時(shí)刻只有一個(gè)方法可以進(jìn)入到臨界區(qū)，同時(shí)它還可以保證共享變量的內(nèi)存可見(jiàn)性

Java中每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖，這是synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：

1. 普通同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象

2. 靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類的class對(duì)象

3. 同步方法塊，鎖是括號(hào)里面的對(duì)象

當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步代碼塊時(shí)，它首先是需要得到鎖才能執(zhí)行同步代碼，當(dāng)退出或者拋出異常時(shí)必須要釋放鎖，那么它是如何來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制的呢？我們先看一段簡(jiǎn)單的代碼：

利用javap工具查看生成的class文件信息來(lái)分析Synchronize的實(shí)現(xiàn)

從上面可以看出，同步代碼塊是使用monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)的，同步方法（在這看不出來(lái)需要看JVM底層實(shí)現(xiàn)）依靠的是方法修飾符上的ACC_SYNCHRONIZED實(shí)現(xiàn)。

同步代碼塊：monitorenter指令插入到同步代碼塊的開(kāi)始位置，monitorexit指令插入到同步代碼塊的結(jié)束位置，JVM需要保證每一個(gè)monitorenter都有一個(gè)monitorexit與之相對(duì)應(yīng)。任何對(duì)象都有一個(gè)monitor與之相關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個(gè)monitor被持有之后，他將處于鎖定狀態(tài)。線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)，將會(huì)嘗試獲取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的monitor所有權(quán)，即嘗試獲取對(duì)象的鎖；

同步方法：synchronized方法則會(huì)被翻譯成普通的方法調(diào)用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令，在VM字節(jié)碼層面并沒(méi)有任何特別的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)被synchronized修飾的方法，而是在Class文件的方法表中將該方法的access_flags字段中的synchronized標(biāo)志位置1，表示該方法是同步方法并使用調(diào)用該方法的對(duì)象或該方法所屬的Class在JVM的內(nèi)部對(duì)象表示Klass做為鎖對(duì)象。(摘自：http://www.cnblogs.com/javaminer/p/3889023.html)

下面我們來(lái)繼續(xù)分析，但是在深入之前我們需要了解兩個(gè)重要的概念：Java對(duì)象頭，Monitor。

Java對(duì)象頭、monitor

Java對(duì)象頭和monitor是實(shí)現(xiàn)synchronized的基礎(chǔ)！下面就這兩個(gè)概念來(lái)做詳細(xì)介紹。

Java對(duì)象頭

synchronized用的鎖是存在Java對(duì)象頭里的，那么什么是Java對(duì)象頭呢？Hotspot虛擬機(jī)的對(duì)象頭主要包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：Mark  Word（標(biāo)記字段）、Klass Pointer（類型指針）。其中Klass  Point是是對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例，Mark  Word用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，它是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵，所以下面將重點(diǎn)闡述

Mark Word。

Mark Word用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程  ID、偏向時(shí)間戳等等。Java對(duì)象頭一般占有兩個(gè)機(jī)器碼（在32位虛擬機(jī)中，1個(gè)機(jī)器碼等于4字節(jié)，也就是32bit），但是如果對(duì)象是數(shù)組類型，則需要三個(gè)機(jī)器碼，因?yàn)镴VM虛擬機(jī)可以通過(guò)Java對(duì)象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對(duì)象的大小，但是無(wú)法從數(shù)組的元數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)數(shù)組的大小，所以用一塊來(lái)記錄數(shù)組長(zhǎng)度。下圖是Java對(duì)象頭的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（32位虛擬機(jī)）：

對(duì)象頭信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)的額外存儲(chǔ)成本，但是考慮到虛擬機(jī)的空間效率，Mark  Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間，也就是說(shuō)，Mark  Word會(huì)隨著程序的運(yùn)行發(fā)生變化，變化狀態(tài)如下（32位虛擬機(jī)）：

簡(jiǎn)單介紹了Java對(duì)象頭，我們下面再看Monitor。

Monitor

什么是Monitor？我們可以把它理解為一個(gè)同步工具，也可以描述為一種同步機(jī)制，它通常被描述為一個(gè)對(duì)象。

與一切皆對(duì)象一樣，所有的Java對(duì)象是天生的Monitor，每一個(gè)Java對(duì)象都有成為Monitor的潛質(zhì)，因?yàn)樵贘ava的設(shè)計(jì)中 ，每一個(gè)Java對(duì)象自打娘胎里出來(lái)就帶了一把看不見(jiàn)的鎖，它叫做內(nèi)部鎖或者M(jìn)onitor鎖。

Monitor 是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)線程都有一個(gè)可用monitor  record列表，同時(shí)還有一個(gè)全局的可用列表。每一個(gè)被鎖住的對(duì)象都會(huì)和一個(gè)monitor關(guān)聯(lián)（對(duì)象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同時(shí)monitor中有一個(gè)Owner字段存放擁有該鎖的線程的***標(biāo)識(shí)，表示該鎖被這個(gè)線程占用。其結(jié)構(gòu)如下：

Owner：初始時(shí)為NULL表示當(dāng)前沒(méi)有任何線程擁有該monitor record，當(dāng)線程成功擁有該鎖后保存線程***標(biāo)識(shí)，當(dāng)鎖被釋放時(shí)又設(shè)置為NULL；

EntryQ:關(guān)聯(lián)一個(gè)系統(tǒng)互斥鎖（semaphore），阻塞所有試圖鎖住monitor record失敗的線程。

RcThis:表示blocked或waiting在該monitor record上的所有線程的個(gè)數(shù)。

Nest:用來(lái)實(shí)現(xiàn)重入鎖的計(jì)數(shù)。

HashCode:保存從對(duì)象頭拷貝過(guò)來(lái)的HashCode值（可能還包含GC age）。

Candidate:用來(lái)避免不必要的阻塞或等待線程喚醒，因?yàn)槊恳淮沃挥幸粋€(gè)線程能夠成功擁有鎖，如果每次前一個(gè)釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會(huì)引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然后因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)鎖失敗又被阻塞）從而導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降。Candidate只有兩種可能的值0表示沒(méi)有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個(gè)繼任線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖。

摘自：Java中synchronized的實(shí)現(xiàn)原理與應(yīng)用）

我們知道synchronized是重量級(jí)鎖，效率不怎么滴，同時(shí)這個(gè)觀念也一直存在我們腦海里，不過(guò)在jdk 1.6中對(duì)synchronize的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了各種優(yōu)化，使得它顯得不是那么重了，那么JVM采用了那些優(yōu)化手段呢？

鎖優(yōu)化

jdk1.6對(duì)鎖的實(shí)現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化，如自旋鎖、適應(yīng)性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級(jí)鎖等技術(shù)來(lái)減少鎖操作的開(kāi)銷。

鎖主要存在四中狀態(tài)，依次是：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)、重量級(jí)鎖狀態(tài)，他們會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的激烈而逐漸升級(jí)。注意鎖可以升級(jí)不可降級(jí)，這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

自旋鎖

線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)，頻繁的阻塞和喚醒對(duì)CPU來(lái)說(shuō)是一件負(fù)擔(dān)很重的工作，勢(shì)必會(huì)給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來(lái)很大的壓力。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)在許多應(yīng)用上面，對(duì)象鎖的鎖狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短一段時(shí)間，為了這一段很短的時(shí)間頻繁地阻塞和喚醒線程是非常不值得的。所以引入自旋鎖。

何謂自旋鎖？

所謂自旋鎖，就是讓該線程等待一段時(shí)間，不會(huì)被立即掛起，看持有鎖的線程是否會(huì)很快釋放鎖。怎么等待呢？執(zhí)行一段無(wú)意義的循環(huán)即可（自旋）。

自旋等待不能替代阻塞，先不說(shuō)對(duì)處理器數(shù)量的要求（多核，貌似現(xiàn)在沒(méi)有單核的處理器了），雖然它可以避免線程切換帶來(lái)的開(kāi)銷，但是它占用了處理器的時(shí)間。如果持有鎖的線程很快就釋放了鎖，那么自旋的效率就非常好，反之，自旋的線程就會(huì)白白消耗掉處理的資源，它不會(huì)做任何有意義的工作，典型的占著茅坑不拉屎，這樣反而會(huì)帶來(lái)性能上的浪費(fèi)。所以說(shuō)，自旋等待的時(shí)間（自旋的次數(shù)）必須要有一個(gè)限度，如果自旋超過(guò)了定義的時(shí)間仍然沒(méi)有獲取到鎖，則應(yīng)該被掛起。

自旋鎖在JDK 1.4.2中引入，默認(rèn)關(guān)閉，但是可以使用-XX:+UseSpinning開(kāi)開(kāi)啟，在JDK1.6中默認(rèn)開(kāi)啟。同時(shí)自旋的默認(rèn)次數(shù)為10次，可以通過(guò)參數(shù)-XX:PreBlockSpin來(lái)調(diào)整；

如果通過(guò)參數(shù)-XX:preBlockSpin來(lái)調(diào)整自旋鎖的自旋次數(shù)，會(huì)帶來(lái)諸多不便。假如我將參數(shù)調(diào)整為10，但是系統(tǒng)很多線程都是等你剛剛退出的時(shí)候就釋放了鎖（假如你多自旋一兩次就可以獲取鎖），你是不是很尷尬。于是JDK1.6引入自適應(yīng)的自旋鎖，讓虛擬機(jī)會(huì)變得越來(lái)越聰明。

適應(yīng)自旋鎖

JDK  1.6引入了更加聰明的自旋鎖，即自適應(yīng)自旋鎖。所謂自適應(yīng)就意味著自旋的次數(shù)不再是固定的，它是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定。它怎么做呢？線程如果自旋成功了，那么下次自旋的次數(shù)會(huì)更加多，因?yàn)樘摂M機(jī)認(rèn)為既然上次成功了，那么此次自旋也很有可能會(huì)再次成功，那么它就會(huì)允許自旋等待持續(xù)的次數(shù)更多。反之，如果對(duì)于某個(gè)鎖，很少有自旋能夠成功的，那么在以后要或者這個(gè)鎖的時(shí)候自旋的次數(shù)會(huì)減少甚至省略掉自旋過(guò)程，以免浪費(fèi)處理器資源。

有了自適應(yīng)自旋鎖，隨著程序運(yùn)行和性能監(jiān)控信息的不斷完善，虛擬機(jī)對(duì)程序鎖的狀況預(yù)測(cè)會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確，虛擬機(jī)會(huì)變得越來(lái)越聰明。

鎖消除

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，我們?cè)谶M(jìn)行操作時(shí)需要對(duì)這部分操作進(jìn)行同步控制，但是在有些情況下，JVM檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，這是JVM會(huì)對(duì)這些同步鎖進(jìn)行鎖消除。鎖消除的依據(jù)是逃逸分析的數(shù)據(jù)支持。

如果不存在競(jìng)爭(zhēng)，為什么還需要加鎖呢？所以鎖消除可以節(jié)省毫無(wú)意義的請(qǐng)求鎖的時(shí)間。變量是否逃逸，對(duì)于虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)需要使用數(shù)據(jù)流分析來(lái)確定，但是對(duì)于我們程序員來(lái)說(shuō)這還不清楚么？我們會(huì)在明明知道不存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的代碼塊前加上同步嗎？但是有時(shí)候程序并不是我們所想的那樣？我們雖然沒(méi)有顯示使用鎖，但是我們?cè)谑褂靡恍㎎DK的內(nèi)置API時(shí)，如StringBuffer、Vector、HashTable等，這個(gè)時(shí)候會(huì)存在隱形的加鎖操作。比如StringBuffer的append()方法，Vector的add()方法：

在運(yùn)行這段代碼時(shí)，JVM可以明顯檢測(cè)到變量vector沒(méi)有逃逸出方法vectorTest()之外，所以JVM可以大膽地將vector內(nèi)部的加鎖操作消除。

鎖粗化

我們知道在使用同步鎖的時(shí)候，需要讓同步塊的作用范圍盡可能小—僅在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步，這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。

在大多數(shù)的情況下，上述觀點(diǎn)是正確的，LZ也一直堅(jiān)持著這個(gè)觀點(diǎn)。但是如果一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作，可能會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗，所以引入鎖粗話的概念。

鎖粗話概念比較好理解，就是將多個(gè)連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖。如上面實(shí)例：vector每次add的時(shí)候都需要加鎖操作，JVM檢測(cè)到對(duì)同一個(gè)對(duì)象（vector）連續(xù)加鎖、解鎖操作，會(huì)合并一個(gè)更大范圍的加鎖、解鎖操作，即加鎖解鎖操作會(huì)移到for循環(huán)之外。

輕量級(jí)鎖

引入輕量級(jí)鎖的主要目的是在多沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能或者多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，則會(huì)嘗試獲取輕量級(jí)鎖，其步驟如下：

獲取鎖

1. 判斷當(dāng)前對(duì)象是否處于無(wú)鎖狀態(tài)（hashcode、0、01），若是，則JVM首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock  Record）的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個(gè)Displaced前綴，即Displaced Mark  Word）；否則執(zhí)行步驟（3）；

2. JVM利用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指正，如果成功表示競(jìng)爭(zhēng)到鎖，則將鎖標(biāo)志位變成00（表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖狀態(tài)），執(zhí)行同步操作；如果失敗則執(zhí)行步驟（3）；

3. 判斷當(dāng)前對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是則表示當(dāng)前線程已經(jīng)持有當(dāng)前對(duì)象的鎖，則直接執(zhí)行同步代碼塊；否則只能說(shuō)明該鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了，這時(shí)輕量級(jí)鎖需要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志位變成10，后面等待的線程將會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)；

釋放鎖

輕量級(jí)鎖的釋放也是通過(guò)CAS操作來(lái)進(jìn)行的，主要步驟如下：

1. 取出在獲取輕量級(jí)鎖保存在Displaced Mark Word中的數(shù)據(jù)；

2. 用CAS操作將取出的數(shù)據(jù)替換當(dāng)前對(duì)象的Mark Word中，如果成功，則說(shuō)明釋放鎖成功，否則執(zhí)行（3）；

3. 如果CAS操作替換失敗，說(shuō)明有其他線程嘗試獲取該鎖，則需要在釋放鎖的同時(shí)需要喚醒被掛起的線程。

對(duì)于輕量級(jí)鎖，其性能提升的依據(jù)是“對(duì)于絕大部分的鎖，在整個(gè)生命周期內(nèi)都是不會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)的”，如果打破這個(gè)依據(jù)則除了互斥的開(kāi)銷外，還有額外的CAS操作，因此在有多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下，輕量級(jí)鎖比重量級(jí)鎖更慢；

下圖是輕量級(jí)鎖的獲取和釋放過(guò)程

偏向鎖

引入偏向鎖主要目的是：為了在無(wú)多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下盡量減少不必要的輕量級(jí)鎖執(zhí)行路徑。上面提到了輕量級(jí)鎖的加鎖解鎖操作是需要依賴多次CAS原子指令的。那么偏向鎖是如何來(lái)減少不必要的CAS操作呢？我們可以查看Mark  work的結(jié)構(gòu)就明白了。只需要檢查是否為偏向鎖、鎖標(biāo)識(shí)為以及ThreadID即可，處理流程如下：

獲取鎖

1. 檢測(cè)Mark Word是否為可偏向狀態(tài)，即是否為偏向鎖1，鎖標(biāo)識(shí)位為01；

2. 若為可偏向狀態(tài)，則測(cè)試線程ID是否為當(dāng)前線程ID，如果是，則執(zhí)行步驟（5），否則執(zhí)行步驟（3）；

3. 如果線程ID不為當(dāng)前線程ID，則通過(guò)CAS操作競(jìng)爭(zhēng)鎖，競(jìng)爭(zhēng)成功，則將Mark Word的線程ID替換為當(dāng)前線程ID，否則執(zhí)行線程（4）；

4. 通過(guò)CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖失敗，證明當(dāng)前存在多線程競(jìng)爭(zhēng)情況，當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)，獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，然后被阻塞在安全點(diǎn)的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼塊；

5. 執(zhí)行同步代碼塊

釋放鎖

偏向鎖的釋放采用了一種只有競(jìng)爭(zhēng)才會(huì)釋放鎖的機(jī)制，線程是不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖，需要等待其他線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)。偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點(diǎn)（這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是上沒(méi)有正在執(zhí)行的代碼）。其步驟如下：

1. 暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對(duì)象石是否還處于被鎖定狀態(tài)；

2. 撤銷偏向蘇，恢復(fù)到無(wú)鎖狀態(tài)（01）或者輕量級(jí)鎖的狀態(tài)；

下圖是偏向鎖的獲取和釋放流程

重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖通過(guò)對(duì)象內(nèi)部的監(jiān)視器（monitor）實(shí)現(xiàn)，其中monitor的本質(zhì)是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，切換成本非常高。

參考資料

1. 周志明：《深入理解Java虛擬機(jī)》

2. 方騰飛：《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》

3. Java中synchronized的實(shí)現(xiàn)原理與應(yīng)用）

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