synchronized如何保证线程同步？

什么是synchronized？

synchronized是Java提供的一个并发控制的关键字。可以用来修饰方法和代码块。被synchronized修饰的代码块及方法，在同一时间，只能被单个线程访问。

synchronized有什么作用？

使用该关键字修饰的方法，在同一时刻最多只有一个线程可以进入。如果第一个线程获取锁进入了synchronized修饰的区域，在其释放锁之前，需要进入该实例中synchronized修饰的方法或者代码块的其他线程就需要等待，直到第一个线程释放锁之后，其他线程中才会有一个线程接着获取锁，进入互斥资源访问区。
通过词典查字面意思，是：adj. 同步的；同步化的。简而言之，参照Java内存模型，synchronized可以保证原子性、有序性和可见性。

synchronized原理

没有什么比源码更有说服力的了，我们在一个类中，分别使用synchronized来修饰方法和代码块，然后编译该类，再使用javap命令，分析汇编指令。

实战源码

SynchronizedForJavap.java

/**
 * <pre>
 * 程序目的：观察使用了synchronized关键字的java class文件，反编码后的字节码信息，
 * 以便观察jvm是如何实现synchronized的
 * </pre>
 * created at 2020-07-15 07:27
 * @author lerry
 */
public class SynchronizedForJavap {
	public void syncBlock() {
		synchronized (this) {
			System.out.println("hello block");
		}
	}

	public synchronized void syncMethod() {
		System.out.println("hello method");
	}
}

先执行：javac SynchronizedForJavap.java，对java文件进行编译，生成SynchronizedForJavap.class文件，然后执行：javap -v SynchronizedForJavap.class。部分输出结果如下：

public void syncBlock();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter // monitorenter指令进入同步块
         4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         7: ldc           #3                  // String hello block
         9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        12: aload_1
        13: monitorexit // monitorexit指令退出同步块
        14: goto          22
        17: astore_2
        18: aload_1
        19: monitorexit // monitorexit指令退出同步块
        20: aload_2
        21: athrow
        22: return

————————————————————————————————————
public synchronized void syncMethod();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED //在同步方法中添加了ACC_SYNCHRONIZED标记
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #5                  // String hello method
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 18: 0
        line 19: 8

从上面的中文注释处可以看到，对于synchronized关键字而言，javac在编译时，会生成对应的monitorenter和monitorexit指令分别对应synchronized同步块的进入和退出，有两个monitorexit指令的原因是：为了保证抛异常的情况下也能释放锁，所以javac为同步代码块添加了一个隐式的try-finally，在finally中会调用monitorexit命令释放锁。而对于synchronized方法而言，javac为其生成了一个ACC_SYNCHRONIZED关键字，在JVM进行方法调用时，发现调用的方法被ACC_SYNCHRONIZED修饰，则会先尝试获得锁。

想要深入理解synchronized，还需要了解Java内存布局

Java内存布局

在这里，我们需要借助一个工具：

<!--查看Java 对象布局、大小工具-->
<dependency>
	<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
	<artifactId>jol-core</artifactId>
	<version>0.10</version>
</dependency>

JavaObjectLayOutDemo.java

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * <pre>
 * 程序目的：观察Java内存布局
 * </pre>
 * created at 2020-07-15 08:05
 * @author lerry
 */
public class JavaObjectLayOutDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Object obj = new Object();
		System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
	}
}

输出结果如下：
图：new Object内存布局
一个Java对象在内存中包括对象头、实例数据和补齐填充3个部分：

图：Java对象内存布局
现在，加上一段代码，使用synchronized关键字，对obj对象加锁：

public class JavaObjectLayOutDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Object obj = new Object();
		System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

		System.out.println("使用了synchronized关键字之后的对象内存布局：");
		synchronized (obj){
			System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
		}
	}
}

输出结果如下：

图：控制台输出-加上synchronized关键字后

图：控制台输出结果前后对比-MarkWord部分发生了改变
由此得知：synchronized的锁，记录在对象的对象头中的Mark Word部分。

接下来，我们来看一下各种锁状态。

锁状态 new、偏向锁、轻量级锁、重量级锁

图：HotSpot实现的锁状态对比表-synchronized
对应到控制台输出，对应位置如下：

图：控制台输出-对象内存布局-锁的位置

锁状态说明及状态转换

1. Object obj = new Object();
   锁 0 01 -> 无锁状态
2. 默认synchronized(obj)
   00 -> 轻量级锁
   默认情况偏向锁有个时延,默认是4秒
   why?因为JVM虚拟机自己有一些默认启动的线程，里面有好多sync代码,这些sync代码启动时就知道肯定会有竞争，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断的进行锁撤销和锁升级的操作，效率较低。
3. 如果设定-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
   new Object() -> 1 01
   偏向锁 -> 线程ID为0 -> Anonymous BiasedLock
   打开偏向锁，new出来的对象，默认就是一个可偏向匿名对象1 01
4. 如果有线程上锁
   上偏向锁，指的就是，把markword的线程ID改为自己线程ID的过程
   偏向锁不可重偏向、批量偏向、批量撤销
5. 如果有线程竞争
   撤销偏向锁，升级轻量级锁
   线程在自己的线程栈生成LockRecord，用CAS操作将markword设置为指向自己这个线程的LockRecord的指针，设置成功者得到锁
6. 如果竞争加剧
   竞争加剧: 有线程超过10次自旋，-XX:PreBlockSpin(在JDK7u40的时候这个指令消失了)， 或者自旋线程数超过CPU核数的一半，1.6之后， 加入
   自适应自旋Adapative Self Spinning，JVM自己控制
   升级重量级锁: -> 向操作系统申请资源，linux mutex , CPU从3级-0级系统调用，线程挂起，进入等待队列,
   等待操作系统的调度，然后再映射回用户空间
   (以上实验环境是JDK11,打开就是偏向锁，而JDK8默认对象头是无锁)
   下图是JDK1.6引入偏向锁之后的状态转换示意图：
   
   图：偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象MarkWord的关系-《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第2版）》

这样的状态转换，虽然脉络清晰了不少，但是是面向机器的。接下来，用一个实际生活场景，来阐述一下锁的各种状态转换。

有一天，蜘蛛侠吃坏了肚子，跑来卫生间蹲坑，这时只有他一个人，没人和他抢，于是管理员在厕所门上贴了个“蜘蛛侠专用”（线程ID），既然很着急、门就不锁了，这样效率也高。  
蜘蛛侠跑了两次，每次门都没锁，可以直接进去，很高兴。科室过了会儿、蝙蝠侠也跑过来了，原来中午他们一起在一家使用地沟油的餐厅吃饭，都中招了。这时，管理员把门上的标签撕掉，让两个人竞争。最后蝙蝠侠更快一些，门上的便签换成了“蝙蝠侠专用”，蜘蛛侠在外面急的转圈（有线程竞争、升级轻量级锁、CAS自旋）。蝙蝠侠出来后，蜘蛛侠赶紧冲进去干活儿。

再后来、发现钢铁侠、雷神、美队都跑过来了，蜘蛛侠占着位置，其他人都在外面急的转圈儿，管理员说这样转太浪费功夫了，于是，给门上了锁（竞争加剧、升级重量级锁），其他人都别动（不耗费CPU资源），都排队（进入等待队列）。蜘蛛侠出来后，管理员把锁交给美队（CPU指定线程去执行）。依次类推。

思维导图

图：blog思维导图

参考资料

马士兵-《多线程与高并发》，帮助你·理解多线程在CPU层级的实现，以及这些实现如何一层一层的映射到那些上亿用户，千万QPS，百万TPS的系统。
三大性质总结：原子性，有序性，可见性 - 简书
通过javap命令分析java汇编指令 - 简书
死磕Synchronized底层实现–概论 - 掘金
JOL：查看Java 对象布局、大小工具_禅鸣之时-CSDN博客_jol
Java对象内存布局 - 简书

环境说明

• java -version

java version "1.8.0_251"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_251-b08)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.251-b08, mixed mode)

• OS：macOS High Sierra 10.13.4

本文地址：https://blog.csdn.net/limenghua9112/article/details/107374854