Java中Synchronized的原理是什么

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原本的問題

Synchronized是基于底層操作系統(tǒng)的 Mutex Lock 實(shí)現(xiàn)的，每次獲取鎖和釋放鎖的操作都會帶來用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，從而增加系統(tǒng)性能開銷。

因此，在鎖競爭激烈的情況下，Synchronized同步鎖在性能上就表現(xiàn)得非常糟糕，它也常被大家稱為重量級鎖。

到了 JDK1.5 版本，并發(fā)包中新增了 Lock 接口來實(shí)現(xiàn)鎖功能，它提供了與 Synchronized 關(guān)鍵字類似的同步功能，只是在使用時需要顯示獲取鎖和釋放鎖。

在單個線程重復(fù)申請鎖的情況下，JDK1.5 版本的 Lock 性能要比 Synchronized 鎖的性能好很多，也就是當(dāng)時的 Synchronized 并不具備可重入鎖的功能。

那么當(dāng)時的 Synchronized 是怎么實(shí)現(xiàn)的？又為什么不具備可重入的功能呢？

Synchronized原理

JVM 中的同步是基于進(jìn)入和退出管程（Monitor）對象實(shí)現(xiàn)的。每個對象實(shí)例都會有一個 Monitor，Monitor 可以和對象一起創(chuàng)建、銷毀。

當(dāng)多個線程同時訪問一段同步代碼時，多個線程會先被存放在EntryList集合（也可稱為阻塞隊(duì)列）中，處于BLOCKED狀態(tài)的線程，都會被加入到該列表。

接下來當(dāng)線程獲取到對象的 Monitor 時，Monitor 是依靠底層操作系統(tǒng)的 Mutex Lock 來實(shí)現(xiàn)互斥的，線程申請 Mutex 成功，則持有該 Mutex，其它線程將無法獲取到該 Mutex。

如果線程調(diào)用 wait() 方法，就會釋放當(dāng)前持有的 Mutex，并且該線程會進(jìn)入WaitSet集合（也可稱為等待隊(duì)列）中，等待下一次被喚醒。此時線程會處于WAITING或者TIMEDWAITING狀態(tài)，

如果當(dāng)前線程順利執(zhí)行完方法，也將釋放 Mutex。

總的來說，就是同步鎖在這種實(shí)現(xiàn)方式中，因 Monitor 是依賴于底層的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，存在用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)之間的切換(可以理解為上下文切換)，所以增加了性能開銷。

鎖升級

為了提升性能，JDK1.6 引入了偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖概念，來減少鎖競爭帶來的上下文切換，而正是新增的Java對象頭實(shí)現(xiàn)了鎖升級功能。

所謂鎖升級，就是指

>Synchronized 同步鎖初始為偏向鎖，隨著線程競爭越來越激烈，偏向鎖升級到輕量級鎖，最終升級到重量級鎖。

偏向鎖

偏向鎖主要用來優(yōu)化同一線程多次申請同一個鎖的競爭，也就是現(xiàn)在的Synchronized鎖實(shí)際已經(jīng)擁有了可重入鎖的功能。

為什么要有偏向鎖？因?yàn)樵谖覀兊膽?yīng)用中，可能大部分時間是同一個線程競爭鎖資源（比如單線程操作一個線程安全的容器），如果這個線程每次都要獲取鎖和釋放鎖，那么就在不斷的從內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)之間切換。

那么有了偏向鎖，當(dāng)一個線程再次訪問這個同步代碼或方法時，該線程只需去對象頭中去判斷一下是否當(dāng)前線程是否持有該偏向鎖就可以了。

一旦出現(xiàn)其它線程競爭鎖資源時，偏向鎖就會被撤銷。偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點(diǎn)(JVM的stop the world)，暫停持有該鎖的線程，同時檢查該線程是否還在執(zhí)行該方法，如果是，則升級鎖，反之則被其它線程搶占。

輕量級鎖

當(dāng)有另外一個線程競爭獲取這個鎖時，由于該鎖已經(jīng)是偏向鎖，當(dāng)發(fā)現(xiàn)對象頭中的線程 ID 不是自己的線程 ID，就會進(jìn)行 CAS 操作獲取鎖，如果獲取成功，直接替換對象頭中的線程 ID 為自己的 ID，該鎖會保持偏向鎖狀態(tài)；如果獲取鎖失敗，代表當(dāng)前鎖有一定的競爭，偏向鎖將升級為輕量級鎖。

輕量級鎖適用于線程交替執(zhí)行同步塊的場景，絕大部分的鎖在整個同步周期內(nèi)都不存在長時間的競爭。

輕量級鎖也支持自旋，因此其他線程再次爭搶時，如果CAS失敗，將不再會進(jìn)入阻塞狀態(tài)，而是不斷自旋。

之所以自旋更好，是因?yàn)橹罢f了，默認(rèn)線程持有鎖的時間都不會太長，如果線程被掛起阻塞可能代價會更高。

如果自旋鎖重試之后搶鎖依然失敗，那么同步鎖就會升級至重量級鎖。

重量級鎖

在這個狀態(tài)下，未搶到鎖的線程都會進(jìn)入 Monitor，之后會被阻塞在WaitSet集合中，也就變成了優(yōu)化之前的Synchronized鎖。

JVM參數(shù)優(yōu)化

偏向鎖升級為輕量級鎖時，會發(fā)生stop the world，如果系統(tǒng)常常是多線程競爭，那么禁止偏向鎖也許是更好的選擇，可以通過以下JVM參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

// 關(guān)閉偏向鎖（默認(rèn)打開）
-XX:-UseBiasedLocking
// 設(shè)置重量級鎖
-XX:+UseHeavyMonitors

輕量級鎖擁有自旋鎖的功能，那么如果線程持有鎖的時間很長，那么競爭的線程也會常常處于自旋狀態(tài)，占用系統(tǒng) CPU ，增加系統(tǒng)開銷，那么此時關(guān)閉自旋鎖的優(yōu)化可以更好一些：

-XX:-UseSpinning

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