Java并发编程 Synchronized及其实现原理

Synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法，也是最简单的一种方法。Synchronized的作用主要有三个：（1）确保线程互斥的访问同步代码（2）保证共享变量的修改能够及时可见（3）有效解决重排序问题。

Java中每一个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础

普通同步方法，锁是当前实例对象

public class SynchronizedTest {
       public synchronized void method1(){
           System.out.println("Method 1 start");
           try {
               System.out.println("Method 1 execute");
               Thread.sleep(1000);
           } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
           }
           System.out.println("Method   end");
       }
  
       public synchronized void method2(){
           System.out.println("Method 2 start");
           try {
               System.out.println("Method 2 execute");
               Thread.sleep(1000);
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
           System.out.println("Method 2 end");
       }
  
       public static void main(String[] args) {
           final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
  
           new Thread(new Runnable() {
               @Override
               public void run() {
                   test.method1();
               }
           }).start();
  
           new Thread(new Runnable() {
               @Override
               public void run() {
                   test.method2();
               }
           }).start();
       }
   }

静态同步方法，锁是当前类的class对象

public class SynchronizedTest {
       public static synchronized void method1(){
           System.out.println("Method 1 start");
           try {
               System.out.println("Method 1 execute");
               Thread.sleep(3000);
           } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          }
         System.out.println("Method 1 end");
      }

      public static synchronized void method2(){
          System.out.println("Method 2 start");
          try {
              System.out.println("Method 2 execute");
              Thread.sleep(1000);
          } catch (InterruptedException e) {
              e.printStackTrace();
          }
          System.out.println("Method 2 end");
      }
 
      public static void main(String[] args) {
          final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
          final SynchronizedTest test2 = new SynchronizedTest();
 
          new Thread(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                  test.method1();
              }
         }).start();
 
          new Thread(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                  test2.method2();
              }
          }).start();
      }
  }

3、同步方法块，锁是括号里面的对象

public class SynchronizedTest {
     public void method1(){
         System.out.println("Method 1 start");
         try {
             synchronized (this) {
                 System.out.println("Method 1 execute");
                 Thread.sleep(3000);
             }
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println("Method 1 end");
     }

     public void method2(){
         System.out.println("Method 2 start");
         try {
             synchronized (this) {
                 System.out.println("Method 2 execute");
                 Thread.sleep(1000);
             }
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println("Method 2 end");
     }

     public static void main(String[] args) {
         final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();

         new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
                 test.method1();
             }
         }).start();

         new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
                 test.method2();
             }
         }).start();
     }
 }

synchronize底层原理：

Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出Monitor对象实现， 无论是显式同步(有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代码块)还是隐式同步都是如此。在 Java 语言中，由方法调用指令读取运行时常量池中方法表结构的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的，关于这点，稍后详细分析。

同步代码块：monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置，monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置，JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联，当且一个monitor被持有之后，他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor所有权，即尝试获取对象的锁；

java对象头

 普通对象

|--------------------------------------------------------------|
|                     Object Header (64 bits)                  |
|------------------------------------|-------------------------|
|        Mark Word (32 bits)         |    Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|

 数组对象

|---------------------------------------------------------------------------------|
|                                 Object Header (96 bits)                         |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
|        Mark Word(32bits)       |    Klass Word(32bits) |  array length(32bits)  |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|

 

在Hotspot虚拟机中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头（Mark Word、Class Metadata Address）、实例数据和对齐填充；Java对象头是实现synchronized的锁对象的基础。一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里。它是轻量级锁和偏向锁的关键。

长度	内容	说明
32/64bit	Mark Work	hashCode,GC分代年龄，锁信息
32/64bit	Class Metadata Address	指向对象类型数据的指针
32/64bit	Array Length	数组的长度(当对象为数组时)

mark Word的默认存储结构

锁状态	25bit	4bit	1bit是否是偏向锁	2bit锁标志位
无所状态	对象的hashcode	对此分代年龄	0	01

偏向锁的标志位是“01”，状态是“0”，表示该对象还没有被加上偏向锁。（“1”是表示被加上偏向锁）。该对象被创建出来的那一刻，就有了偏向锁的标志位，这也说明了所有对象都是可偏向的，但所有对象的状态都为“0”，也同时说明所有被创建的对象的偏向锁并没有生效。

 

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例变量和填充数据。如下：

 

 

Mark Word

Mark Word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、偏向线程 ID、偏向时间戳等等。Java对象头一般占有两个机器码（在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节，
也就是32bit）。

|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                  Mark Word (32 bits)                  |       State        |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| identity_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       Normal       |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|  thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       Biased       |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_lock_record:30          | lock:2 | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|               ptr_to_heavyweight_monitor:30  | lock:2 | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|                                              | lock:2 |    Marked for GC   |
|-------------------------------------------------------|--------------------|

 

其中各部分的含义如下：
lock:2位的锁状态标记位，由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息，所以设置了lock标记。该标记的值不同，整个mark word表示的含义不同。

biased_lock	lock	状态
0	01	无锁
1	01	偏向锁
0	00	轻量级锁
0	10	重量级锁
0	11	GC标记

biased_lock：对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。
age：4位的Java对象年龄。在GC中，如果对象在Survivor区复制一次，年龄增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位，所以最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。
identity_hashcode：25位的对象标识Hash码，采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。当对象被锁定时，该值会移动到管程Monitor中。
thread：持有偏向锁的线程ID。
epoch：偏向时间戳。
ptr_to_lock_record：指向栈中锁记录的指针。
ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指针。

作者：Hypercube
链接：https://www.jianshu.com/p/3d38cba67f8b
来源：简书
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

在运行期间，Mark word里储存的数据会随着锁标志位的变化而变化，Mark word 可能变化为存储以下4种数据。

 

Monior： 

我们可以把它理解为一个同步工具，也可以描述为一种同步机制，它通常被描述为一个对象。与一切皆对象一样，所有的Java对象是天生的Monitor，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对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。Monitor 是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联（对象头的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。其结构如下：

Owner：

 初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL；

EntryQ:

关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程。

RcThis:

表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数。

Nest:

用来实现重入锁的计数。

HashCode:

保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。

Candidate:

用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。

Java虚拟机对synchronize的优化：

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，关于重量级锁，前面我们已详细分析过，下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段。

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，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。偏向锁的核心思想是，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。但是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。

偏向锁逻辑

1.线程A第一次访问同步块时，先检测对象头Mark Word中的标志位是否为01，依此判断此时对象锁是否处于无所状态或者偏向锁状态（匿名偏向锁）；

2.然后判断偏向锁标志位是否为1，如果不是，则进入轻量级锁逻辑（使用CAS竞争锁），如果是，则进入下一步流程；

3.判断是偏向锁时，检查对象头Mark Word中记录的Thread Id是否是当前线程ID，如果是，则表明当前线程已经获得对象锁，以后该线程进入同步块时，不需要CAS进行加锁，只会往当前线程的栈中添加一条Displaced Mark Word为空的Lock Record中，用来统计重入的次数（如图为当对象所处于偏向锁时，当前线程重入3次，线程栈帧中Lock Record记录）。

 

 偏向锁重入

退出同步块释放偏向锁时，则依次删除对应Lock Record，但是不会修改对象头中的Thread Id；

注：偏向锁撤销是指在获取偏向锁的过程中因不满足条件导致要将锁对象改为非偏向锁状态，而偏向锁释放是指退出同步块时的过程。

4.如果对象头Mark Word中Thread Id不是当前线程ID，则进行CAS操作，企图将当前线程ID替换进Mark Word。如果当前对象锁状态处于匿名偏向锁状态（可偏向未锁定），则会替换成功（将Mark Word中的Thread id由匿名0改成当前线程ID，在当前线程栈中找到内存地址最高的可用Lock Record，将线程ID存入），获取到锁，执行同步代码块；

5.如果对象锁已经被其他线程占用，则会替换失败，开始进行偏向锁撤销，这也是偏向锁的特点，一旦出现线程竞争，就会撤销偏向锁；

6.偏向锁的撤销需要等待全局安全点（safe point，代表了一个状态，在该状态下所有线程都是暂停的）,暂停持有偏向锁的线程，检查持有偏向锁的线程状态（遍历当前JVM的所有线程，如果能找到，则说明偏向的线程还存活），如果线程还存活，则检查线程是否在执行同步代码块中的代码，如果是，则升级为轻量级锁，进行CAS竞争锁；

注：每次进入同步块（即执行monitorenter）的时候都会以从高往低的顺序在栈中找到第一个可用的Lock Record，并设置偏向线程ID；每次解锁（即执行monitorexit）的时候都会从最低的一个Lock Record移除。所以如果能找到对应的Lock Record说明偏向的线程还在执行同步代码块中的代码。

7.如果持有偏向锁的线程未存活，或者持有偏向锁的线程未在执行同步代码块中的代码，则进行校验是否允许重偏向，如果不允许重偏向，则撤销偏向锁，将Mark Word设置为无锁状态（未锁定不可偏向状态），然后升级为轻量级锁，进行CAS竞争锁；

8.如果允许重偏向，设置为匿名偏向锁状态,CAS将偏向锁重新指向线程A（在对象头和线程栈帧的锁记录中存储当前线程ID）；

9.唤醒暂停的线程，从安全点继续执行代码。

 

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”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，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。

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。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)，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。

锁消除

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。

/**
 * Created by zejian on 2017/6/4.
 * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian
 * 消除StringBuffer同步锁
 */
public class StringBufferRemoveSync {
 
    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用
        //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            rmsync.add("abc", "123");
        }
    }
 
}

synchronize的可重入性：

从互斥锁的设计上来说，当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，这种情况属于重入锁，请求将会成功，在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性。如下：

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    static int j=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
 
            //this,当前实例对象锁
            synchronized(this){
                i++;
                increase();//synchronized的可重入性
            }
        }
    }
 
    public synchronized void increase(){
        j++;
    }
 
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

正如代码所演示的，在获取当前实例对象锁后进入synchronized代码块执行同步代码，并在代码块中调用了当前实例对象的另外一个synchronized方法，再次请求当前实例锁时，将被允许，进而执行方法体代码，这就是重入锁最直接的体现，需要特别注意另外一种情况，当子类继承父类时，子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor实现的，因此每次重入，monitor中的计数器仍会加1。

线程中断：正如中断二字所表达的意义，在线程运行(run方法)中间打断它，在Java中，提供了以下3个有关线程中断的方法

//中断线程（实例方法）
public void Thread.interrupt();
 
//判断线程是否被中断（实例方法）
public boolean Thread.isInterrupted();
 
//判断是否被中断并清除当前中断状态（静态方法）
public static boolean Thread.interrupted();

等待唤醒机制与synchronize：所谓等待唤醒机制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。

 

 

参考资料

《java 并发编程的艺术》 方腾飞等著。

https://www.cnblogs.com/mingyao123/p/7424911.html

https://www.jianshu.com/p/3d38cba67f8b

https://blog.csdn.net/sinat_41832255/article/details/89309944