工作中經(jīng)常遇到需要用鎖來(lái)控制并發(fā)的問(wèn)題，java中提供一個(gè)鎖神器關(guān)鍵字-Synchronized。通過(guò)它可以來(lái)解決多線程問(wèn)題。與Java中另一個(gè)Lock鎖相比，之前一直覺得Synchronized是重量級(jí)的鎖，很耗性能，真的是這樣嗎？

Synchronized的實(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)存可見性

同步的基礎(chǔ)

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)：

• 普通同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象
• 靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類的class對(duì)象
• 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：

public class SynchronizedTest {

public synchronized void test1() {
    //do something
}

public void test2() {
    synchronized (this) {
        //do something 
    }
}

image.png

同步的原理

???JVM規(guī)范規(guī)定JVM基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)方法同步和代碼塊同步，但兩者的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不一樣。代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)，而方法同步是使用另外一種方式實(shí)現(xiàn)的，細(xì)節(jié)在JVM規(guī)范里并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明，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Class做為鎖對(duì)象。

???monitorenter指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結(jié)束處和異常處， JVM要保證每個(gè)monitorenter必須有對(duì)應(yīng)的monitorexit與之配對(duì)。任何對(duì)象都有一個(gè) monitor 與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個(gè)monitor 被持有后，它將處于鎖定狀態(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 的所有權(quán)，即嘗試獲得對(duì)象的鎖。

???在虛擬機(jī)規(guī)范的要求，在執(zhí)行monitorenter指令時(shí)，首先嘗試獲取對(duì)象的鎖，如果這個(gè)對(duì)象沒(méi)有被鎖，或者當(dāng)前線程已經(jīng)擁有這個(gè)對(duì)象的鎖，把鎖的計(jì)數(shù)器加1，相應(yīng)的，在執(zhí)行monitorexit指令時(shí)會(huì)將計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器為0是，鎖被釋放。如果獲取對(duì)象的鎖失敗，那當(dāng)前線程就要阻塞等待，直到對(duì)象鎖被另外一個(gè)線程釋放為止。

???在虛擬機(jī)規(guī)范對(duì)monitorenter和monitorexit的行為描述中，有兩點(diǎn)需要特別注意的。首先，synchronized同步塊對(duì)同一個(gè)線程來(lái)說(shuō)是可重入的，不會(huì)出現(xiàn)自己把自己死鎖的問(wèn)題。其次，同步塊在已進(jìn)入的線程執(zhí)行完之前，會(huì)阻塞后面其他線程的進(jìn)入

Java對(duì)象頭

鎖存在Java對(duì)象頭里。如果對(duì)象是數(shù)組類型，則虛擬機(jī)用3個(gè)Word（字寬）存儲(chǔ)對(duì)象頭，如果對(duì)象是非數(shù)組類型，則用2字寬存儲(chǔ)對(duì)象頭。在32位虛擬機(jī)中，一字寬等于四字節(jié)，即32bit。

Java對(duì)象頭里的Mark Word里默認(rèn)存儲(chǔ)對(duì)象的HashCode，分代年齡和鎖標(biāo)記位。32位JVM的Mark Word的默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

在運(yùn)行期間Mark Word里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲(chǔ)以下4種數(shù)據(jù)：

image.png

在64位虛擬機(jī)下，Mark Word是64bit大小的，其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

image.png

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唯一標(biāo)識(shí)，表示該鎖被這個(gè)線程占用。其結(jié)構(gòu)如下：

image.png

• 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唯一標(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。

鎖性能優(yōu)化

自旋鎖與自適應(yīng)自旋

???如果物理機(jī)有超過(guò)一個(gè)以上的處理器，讓后面請(qǐng)求鎖的那個(gè)線程“稍等一下”，但不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間，看看持有鎖的線程是否很快就會(huì)釋放鎖。為了讓線程等待，我們只需讓線程執(zhí)行一個(gè)忙循環(huán)（自旋），這項(xiàng)技術(shù)就是所謂的自旋鎖
自旋次數(shù)默認(rèn)是10次，參數(shù)-XX:PreBlockSpin來(lái)更改
在JDK1.6中引入了自適應(yīng)的自旋鎖。自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再固定，而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

鎖消除

???虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)，對(duì)一些代碼上要求同步，但是被檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的鎖進(jìn)行消除。鎖消除的主要判斷依據(jù)來(lái)源于逃逸分析的數(shù)據(jù)支撐，如果判斷在一段代碼中，堆上的所有數(shù)據(jù)都不會(huì)逃逸出去從而被其他線程鎖訪問(wèn)到，那就可以把它們當(dāng)做棧上數(shù)據(jù)對(duì)待，認(rèn)為它們是線程私有的，無(wú)須加鎖

鎖粗化

???如果一系統(tǒng)的連續(xù)操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現(xiàn)在循環(huán)體中，那即使沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)，頻繁地進(jìn)行互斥同步操作也會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗，如果虛擬機(jī)探測(cè)到有這樣一串零碎的操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖，將會(huì)把加鎖同步的范圍擴(kuò)展（粗化）到整個(gè)操作序列的外部

輕量級(jí)鎖

???輕量級(jí)鎖時(shí)JDK1.6之后加入的新型鎖機(jī)制，它名字中的“輕量級(jí)”是相對(duì)于使用操作系統(tǒng)互斥量來(lái)實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)鎖而言的，因此傳統(tǒng)的鎖機(jī)制就稱為“重量級(jí)”鎖。首先需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，輕量級(jí)鎖并不是用來(lái)代替重量級(jí)鎖的，它的本意是在沒(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。

獲取輕量級(jí)鎖步驟：

1）在代碼進(jìn)入同步塊的時(shí)候，檢查此同步對(duì)象有沒(méi)有被鎖定（鎖標(biāo)志狀態(tài)為“01”），若沒(méi)有被鎖定，虛擬機(jī)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）虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，如果這個(gè)動(dòng)作更新成功，那么這個(gè)線程就擁有了該對(duì)象的鎖，并且對(duì)象Mark Word的鎖標(biāo)志位（Mark Word的最后2bit）將轉(zhuǎn)變?yōu)椤?0”，即表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)，否則執(zhí)行步驟3）

3）虛擬機(jī)首先檢查對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果指向，說(shuō)明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有這個(gè)對(duì)象的鎖，那就可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行，否則說(shuō)這個(gè)鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了。如果有兩條以上的線程爭(zhēng)用同一個(gè)鎖，那輕量級(jí)鎖就不再有效，要膨脹為重量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)椤?0”，Mark Word中存儲(chǔ)的就是指向重量級(jí)鎖（互斥量）的指針，后面等待鎖的線程也要進(jìn)入阻塞狀態(tài)

解除輕量級(jí)鎖步驟：

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。

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偏向鎖

???偏向鎖也是JDK1.6中引入的一項(xiàng)鎖優(yōu)化，它的目的是消除數(shù)據(jù)在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)情況下的同步原語(yǔ)，進(jìn)一步提高程序的運(yùn)行性能。如果說(shuō)輕量級(jí)鎖是在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，那偏向鎖就是在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的情況下把整個(gè)同步都消除了，連CAS操作都不做了

???偏向鎖的“偏”，就是偏心的“偏”、偏袒的“偏”，它的意思是這個(gè)鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程，如果在接下來(lái)的執(zhí)行過(guò)程中，該鎖沒(méi)有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要再進(jìn)行同步。

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)；

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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。

鎖的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

參考資料

周志明：《深入理解Java虛擬機(jī)》

方騰飛：《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》