Java中synchronized如何實現(xiàn)

這篇文章將為大家詳細講解有關(guān)Java中synchronized如何實現(xiàn)，小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

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記得剛剛開始學(xué)習(xí)Java的時候，一遇到多線程情況就是synchronized，相對于當時的我們來說synchronized是這么的神奇而又強大，那個時候我們賦予它一個名字“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)的進行我們知道synchronized是一個重量級鎖，相對于Lock，它會顯得那么笨重，以至于我們認為它不是那么的高效而慢慢摒棄它。
誠然，隨著Javs SE 1.6對synchronized進行的各種優(yōu)化后，synchronized并不會顯得那么重了。下面跟隨LZ一起來探索synchronized的實現(xiàn)機制、Java是如何對它進行了優(yōu)化、鎖優(yōu)化機制、鎖的存儲結(jié)構(gòu)和升級過程；

實現(xiàn)原理

synchronized可以保證方法或者代碼塊在運行時，同一時刻只有一個方法可以進入到臨界區(qū)，同時它還可以保證共享變量的內(nèi)存可見性

Java中每一個對象都可以作為鎖，這是synchronized實現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：

普通同步方法，鎖是當前實例對象
靜態(tài)同步方法，鎖是當前類的class對象
同步方法塊，鎖是括號里面的對象
當一個線程訪問同步代碼塊時，它首先是需要得到鎖才能執(zhí)行同步代碼，當退出或者拋出異常時必須要釋放鎖，那么它是如何來實現(xiàn)這個機制的呢？我們先看一段簡單的代碼：

public class SynchronizedTest {
	public synchronized void test1(){
	}
	public void test2(){
		synchronized (this){
		}
	}
}

利用javap工具查看生成的class文件信息來分析Synchronize的實現(xiàn)

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

同步代碼塊：monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置，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monitorenter都有一個monitorexit與之相對應(yīng)。任何對象都有一個monitor與之相關(guān)聯(lián)，當且一個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，將會嘗試獲取對象所對應(yīng)的monitor所有權(quán)，即嘗試獲取對象的鎖；
同步方法：synchronized方法則會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)碼層面并沒有任何特別的指令來實現(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)用該方法的對象或該方法所屬的Class在JVM的內(nèi)部對象表示Klass做為鎖對象（參考：https://www.jb51.net/article/129245.htm）

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

Java對象頭、monitor

Java對象頭和monitor是實現(xiàn)synchronized的基礎(chǔ)！下面就這兩個概念來做詳細介紹。

Java對象頭

synchronized用的鎖是存在Java對象頭里的，那么什么是Java對象頭呢？Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數(shù)據(jù)：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）。其中Klass Point是是對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例，Mark Word用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，它是實現(xiàn)輕量級鎖和偏向鎖的關(guān)鍵，所以下面將重點闡述

Mark Word。

Mark Word用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標志、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等等。Java對象頭一般占有兩個機器碼（在32位虛擬機中，1個機器碼等于4字節(jié)，也就是32bit），但是如果對象是數(shù)組類型，則需要三個機器碼，因為JVM虛擬機可以通過Java對象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對象的大小，但是無法從數(shù)組的元數(shù)據(jù)來確認數(shù)組的大小，所以用一塊來記錄數(shù)組長度。下圖是Java對象頭的存儲結(jié)構(gòu)（32位虛擬機）：

對象頭信息是與對象自身定義的數(shù)據(jù)無關(guān)的額外存儲成本，但是考慮到虛擬機的空間效率，Mark Word被設(shè)計成一個非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲盡量多的數(shù)據(jù)，它會根據(jù)對象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲空間，也就是說，Mark Word會隨著程序的運行發(fā)生變化，變化狀態(tài)如下（32位虛擬機）：

簡單介紹了Java對象頭，我們下面再看Monitor。

Monitor

什么是Monitor？我們可以把它理解為一個同步工具，也可以描述為一種同步機制，它通常被描述為一個對象。
與一切皆對象一樣，所有的Java對象是天生的Monitor，每一個Java對象都有成為Monitor的潛質(zhì)，因為在Java的設(shè)計中 ，每一個Java對象自打娘胎里出來就帶了一把看不見的鎖，它叫做內(nèi)部鎖或者Monitor鎖。

Monitor 是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個線程都有一個可用monitor record列表，同時還有一個全局的可用列表。每一個被鎖住的對象都會和一個monitor關(guān)聯(lián)（對象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一標識，表示該鎖被這個線程占用。其結(jié)構(gòu)如下：

Owner：初始時為NULL表示當前沒有任何線程擁有該monitorrecord，當線程成功擁有該鎖后保存線程唯一標識，當鎖被釋放時又設(shè)置為NULL；

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

RcThis:表示blocked或waiting在該monitorrecord上的所有線程的個數(shù)。

Nest:用來實現(xiàn)重入鎖的計數(shù)。

HashCode:保存從對象頭拷貝過來的HashCode值（可能還包含GCage）。

Candidate:用來避免不必要的阻塞或等待線程喚醒，因為每一次只有一個線程能夠成功擁有鎖，如果每次前一個釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然后因為競爭鎖失敗又被阻塞）從而導(dǎo)致性能嚴重下降。Candidate只有兩種可能的值0表示沒有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個繼任線程來競爭鎖。

參考：聊聊Java并發(fā)中的Synchronized

我們知道synchronized是重量級鎖，效率不怎么滴，同時這個觀念也一直存在我們腦海里，不過在jdk1.6中對synchronize的實現(xiàn)進行了各種優(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對鎖的實現(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、輕量級鎖等技術(shù)來減少鎖操作的開銷。

鎖主要存在四中狀態(tài)，依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)、重量級鎖狀態(tài)，他們會隨著競爭的激烈而逐漸升級。注意鎖可以升級不可降級，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CPU來說是一件負擔(dān)很重的工作，勢必會給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來很大的壓力。同時我們發(fā)現(xiàn)在許多應(yīng)用上面，對象鎖的鎖狀態(tài)只會持續(xù)很短一段時間，為了這一段很短的時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間，不會被立即掛起，看持有鎖的線程是否會很快釋放鎖。怎么等待呢？執(zhí)行一段無意義的循環(huán)即可（自旋）。

自旋等待不能替代阻塞，先不說對處理器數(shù)量的要求（多核，貌似現(xiàn)在沒有單核的處理器了），雖然它可以避免線程切換帶來的開銷，但是它占用了處理器的時間。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，自旋的線程就會白白消耗掉處理的資源，它不會做任何有意義的工作，典型的占著茅坑不拉屎，這樣反而會帶來性能上的浪費。所以說，自旋等待的時間（自旋的次數(shù)）必須要有一個限度，如果自旋超過了定義的時間仍然沒有獲取到鎖，則應(yīng)該被掛起。

自旋鎖在JDK1.4.2中引入，默認關(guān)閉，但是可以使用-XX:+UseSpinning開開啟，在JDK1.6中默認開啟。同時自旋的默認次數(shù)為10次，可以通過參數(shù)-XX:PreBlockSpin來調(diào)整；

如果通過參數(shù)-XX:preBlockSpin來調(diào)整自旋鎖的自旋次數(shù)，會帶來諸多不便。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，讓虛擬機會變得越來越聰明。

適應(yīng)自旋鎖

JDK1.6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鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定。它怎么做呢？線程如果自旋成功了，那么下次自旋的次數(shù)會更加多，因為虛擬機認為既然上次成功了，那么此次自旋也很有可能會再次成功，那么它就會允許自旋等待持續(xù)的次數(shù)更多。反之，如果對于某個鎖，很少有自旋能夠成功的，那么在以后要或者這個鎖的時候自旋的次數(shù)會減少甚至省略掉自旋過程，以免浪費處理器資源。

有了自適應(yīng)自旋鎖，隨著程序運行和性能監(jiān)控信息的不斷完善，虛擬機對程序鎖的狀況預(yù)測會越來越準確，虛擬機會變得越來越聰明。

鎖消除

為了保證數(shù)據(jù)的完整性，我們在進行操作時需要對這部分操作進行同步控制，但是在有些情況下，JVM檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭，這是JVM會對這些同步鎖進行鎖消除。鎖消除的依據(jù)是逃逸分析的數(shù)據(jù)支持。

如果不存在競爭，為什么還需要加鎖呢？所以鎖消除可以節(jié)省毫無意義的請求鎖的時間。變量是否逃逸，對于虛擬機來說需要使用數(shù)據(jù)流分析來確定，但是對于我們程序員來說這還不清楚么？我們會在明明知道不存在數(shù)據(jù)競爭的代碼塊前加上同步嗎？但是有時候程序并不是我們所想的那樣？我們雖然沒有顯示使用鎖，但是我們在使用一些JDK的內(nèi)置API時，如StringBuffer、Vector、HashTable等，這個時候會存在隱形的加鎖操作。比如StringBuffer的append()方法，Vector的add()方法：

public void vectorTest(){
   Vector<String> vector = new Vector<String>();
   for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
     vector.add(i + "");
   }
 
   System.out.println(vector);
 }

在運行這段代碼時，JVM可以明顯檢測到變量vector沒有逃逸出方法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)的實際作用域中才進行同步，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，如果存在鎖競爭，那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。
在大多數(shù)的情況下，上述觀點是正確的，LZ也一直堅持著這個觀點。但是如果一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作，可能會導(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，就是將多個連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴展成一個范圍更大的鎖。如上面實例：vector每次add的時候都需要加鎖操作，JVM檢測到對同一個對象（vector）連續(xù)加鎖、解鎖操作，會合并一個更大范圍的加鎖、解鎖操作，即加鎖解鎖操作會移到for循環(huán)之外。

輕量級鎖

引入輕量級鎖的主要目的是在多沒有多線程競爭的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。當關(guān)閉偏向鎖功能或者多個線程競爭偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級為輕量級鎖，則會嘗試獲取輕量級鎖，其步驟如下：

獲取鎖

判斷當前對象是否處于無鎖狀態(tài)（hashcode、0、01），若是，則JVM首先將在當前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個Displaced前綴，即Displaced Mark Word）；否則執(zhí)行步驟（3）；
JVM利用CAS操作嘗試將對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指正，如果成功表示競爭到鎖，則將鎖標志位變成00（表示此對象處于輕量級鎖狀態(tài)），執(zhí)行同步操作；如果失敗則執(zhí)行步驟（3）；
判斷當前對象的Mark Word是否指向當前線程的棧幀，如果是則表示當前線程已經(jīng)持有當前對象的鎖，則直接執(zhí)行同步代碼塊；否則只能說明該鎖對象已經(jīng)被其他線程搶占了，這時輕量級鎖需要膨脹為重量級鎖，鎖標志位變成10，后面等待的線程將會進入阻塞狀態(tài)；

釋放鎖

輕量級鎖的釋放也是通過CAS操作來進行的，主要步驟如下：

取出在獲取輕量級鎖保存在Displaced Mark Word中的數(shù)據(jù)；
用CAS操作將取出的數(shù)據(jù)替換當前對象的Mark Word中，如果成功，則說明釋放鎖成功，否則執(zhí)行（3）；
如果CAS操作替換失敗，說明有其他線程嘗試獲取該鎖，則需要在釋放鎖的同時需要喚醒被掛起的線程。
對于輕量級鎖，其性能提升的依據(jù)是“對于絕大部分的鎖，在整個生命周期內(nèi)都是不會存在競爭的”，如果打破這個依據(jù)則除了互斥的開銷外，還有額外的CAS操作，因此在有多線程競爭的情況下，輕量級鎖比重量級鎖更慢；

下圖是輕量級鎖的獲取和釋放過程

偏向鎖

引入偏向鎖主要目的是：為了在無多線程競爭的情況下盡量減少不必要的輕量級鎖執(zhí)行路徑。上面提到了輕量級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、鎖標識為以及ThreadID即可，處理流程如下：
獲取鎖

檢測Mark Word是否為可偏向狀態(tài)，即是否為偏向鎖1，鎖標識位為01；
若為可偏向狀態(tài)，則測試線程ID是否為當前線程ID，如果是，則執(zhí)行步驟（5），否則執(zhí)行步驟（3）；
如果線程ID不為當前線程ID，則通過CAS操作競爭鎖，競爭成功，則將Mark Word的線程ID替換為當前線程ID，否則執(zhí)行線程（4）；
通過CAS競爭鎖失敗，證明當前存在多線程競爭情況，當?shù)竭_全局安全點，獲得偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖，然后被阻塞在安全點的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼塊；

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爭才會釋放鎖的機制，線程是不會主動去釋放偏向鎖，需要等待其他線程來競爭。偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點（這個時間點是上沒有正在執(zhí)行的代碼）。其步驟如下：

暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象石是否還處于被鎖定狀態(tài)；
撤銷偏向蘇，恢復(fù)到無鎖狀態(tài)（01）或者輕量級鎖的狀態(tài)；
下圖是偏向鎖的獲取和釋放流程

重量級鎖

重量鎖在JVM中又叫對象監(jiān)視器（Monitor），它很像C中的Mutex，除了具備Mutex(0|1)互斥的功能，它還負責(zé)實現(xiàn)了Semaphore(信號量)的功能，也就是說它至少包含一個競爭鎖的隊列，和一個信號阻塞隊列（wait隊列），前者負責(zé)做互斥，后一個用于做線程同步。

重量級鎖通過對象內(nèi)部的監(jiān)視器（monitor）實現(xiàn)，其中monitor的本質(zhì)是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock實現(xiàn)，操作系統(tǒng)實現(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。

關(guān)于“Java中synchronized如何實現(xiàn)”這篇文章就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，使各位可以學(xué)到更多知識，如果覺得文章不錯，請把它分享出去讓更多的人看到。

當前文章：Java中synchronized如何實現(xiàn)
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