Synchronized

Synchronized 三種應(yīng)用方式

修飾實(shí)例方法，作用于當(dāng)前實(shí)例加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前實(shí)例的鎖
修飾靜態(tài)方法，作用于當(dāng)前類對(duì)象加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前類對(duì)象的鎖
修飾代碼塊，指定加鎖對(duì)象，對(duì)給定對(duì)象加鎖，進(jìn)入同步代碼庫(kù)前要獲得給定對(duì)象的鎖。

Synchronized 底層語(yǔ)義原理

JVM中的同步(Synchronization)基于進(jìn)入和退出管程(Monitor)對(duì)象實(shí)現(xiàn)， 無(wú)論是顯式同步還是隱式同步都是如此。

• synchronized同步代碼塊底層原理

在 Java 語(yǔ)言中，同步語(yǔ)句塊實(shí)現(xiàn)使用的是monitorenter和monitorexit指令。例如:

//同步代碼塊
public class SyncCodeBlock { 
public int i; 
public void syncTask(){ //同步代碼庫(kù) 
    synchronized (this){ i++; } 
    } 
}

//使用javap反編譯后的syncTask部分字節(jié)碼
public void syncTask(); 
    descriptor: ()V 
    flags: ACC_PUBLIC 
    Code: 
      stack=3, locals=3, args_size=1 
      0: aload_0 
      1: dup 
      2: astore_1 
      3: monitorenter //注意此處，進(jìn)入同步方法 
      4: aload_0 
      5: dup 
      6: getfield #2             // Field i:I 
      9: iconst_1 
      10: iadd 
      11: putfield #2            // Field i:I 
      14: aload_1 
      15: monitorexit //注意此處，退出同步方法 
      16: goto 24 
      19: astore_2 
      20: aload_1 
      21: monitorexit //注意此處，退出同步方法 
      22: aload_2 
      23: athrow 
      24: return Exception table: 
        //省略其他字節(jié)碼....... 
}

值得注意的是編譯器將會(huì)確保無(wú)論方法通過(guò)何種方式完成，方法中調(diào)用過(guò)的每條 monitorenter 指令都有執(zhí)行其對(duì)應(yīng) monitorexit 指令，而無(wú)論這個(gè)方法是正常結(jié)束還是異常結(jié)束。為了保證在方法異常完成時(shí) monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正確配對(duì)執(zhí)行，編譯器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)異常處理器，這個(gè)異常處理器聲明可處理所有的異常，它的目的就是用來(lái)執(zhí)行 monitorexit 指令。從字節(jié)碼中也可以看出多了一個(gè)monitorexit指令，它就是異常結(jié)束時(shí)被執(zhí)行的釋放monitor 的指令。

• synchronized 同步方法底層原理

方法級(jí)的同步是隱式的，即無(wú)需通過(guò)字節(jié)碼指令來(lái)控制的，它實(shí)現(xiàn)在方法調(diào)用和返回操作之中。JVM可以從方法常量池中的方法表結(jié)構(gòu)(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問(wèn)標(biāo)志區(qū)分一個(gè)方法是否同步方法。當(dāng)方法調(diào)用時(shí)，調(diào)用指令將會(huì) 檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問(wèn)標(biāo)志是否被設(shè)置，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程將先持有monitor（虛擬機(jī)規(guī)范中用的是管程一詞）， 然后再執(zhí)行方法，最后再方法完成(無(wú)論是正常完成還是非正常完成)時(shí)釋放monitor。在方法執(zhí)行期間，執(zhí)行線程持有了monitor，其他任何線程都無(wú)法再獲得同一個(gè)monitor。如果一個(gè)同步方法執(zhí)行期間拋 出了異常，并且在方法內(nèi)部無(wú)法處理此異常，那這個(gè)同步方法所持有的monitor將在異常拋到同步方法之外時(shí)自動(dòng)釋放。下面我們看看字節(jié)碼層面如何實(shí)現(xiàn)：

//同步方法
public class SyncMethod {
   public int i
   public synchronized void syncTask(){
           i++;
   }
}

//使用javap反編譯后的syncTask部分字節(jié)碼:
public synchronized void syncTask(); 
    descriptor: ()V 
//方法標(biāo)識(shí)ACC_PUBLIC代表public修飾 ACC_SYNCHRONIZED指明該方法為同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED 
    Code: 
      stack=3, locals=1, args_size=1 
      0: aload_0 
      1: dup 
      2: getfield #2 // Field i:I 
      5: iconst_1 
      6: iadd 
      7: putfield #2 // Field i:I 
      10: return 
      LineNumberTable: 
      line 12: 0 
      line 13: 10

從字節(jié)碼中可以看出，synchronized修飾的方法并沒(méi)有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的確實(shí)是ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)指明了該方法是一個(gè)同步方法。

• 理解Java對(duì)象頭與Monitor

在JVM中，對(duì)象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充。

實(shí)例變量：存放類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息，如果是數(shù)組的實(shí)例部分還包括數(shù)組的長(zhǎng)度，這部分內(nèi)存按4字節(jié)對(duì)齊。

填充數(shù)據(jù)：由于虛擬機(jī)要求對(duì)象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。填充數(shù)據(jù)不是必須存在的，僅僅是為了字節(jié)對(duì)齊，這點(diǎn)了解即可。

而對(duì)于頂部，則是Java頭對(duì)象，它實(shí)現(xiàn)synchronized的鎖對(duì)象的基礎(chǔ)，這點(diǎn)我們重點(diǎn)分析它，一般而言，synchronized使用的鎖對(duì)象是存儲(chǔ)在Java對(duì)象頭里的，jvm中采用2個(gè)字來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象頭(如果對(duì)象是數(shù)組則會(huì)分配3個(gè)字，多出來(lái)的1個(gè)字記錄的是數(shù)組長(zhǎng)度)，其主要結(jié)構(gòu)是由Mark Word 和 Class Metadata Address 組成，其結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下表：

其中Mark Word在默認(rèn)情況下存儲(chǔ)著對(duì)象的HashCode、分代年齡、鎖標(biāo)記位等。由于對(duì)象頭的信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)沒(méi)有關(guān)系的額外存儲(chǔ)成本，因此考慮到JVM的空間效率，Mark Word 被設(shè)計(jì)成為一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便存儲(chǔ)更多有效的數(shù)據(jù)，它會(huì)根據(jù)對(duì)象本身的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間，如32位JVM下，除了Mark Word默認(rèn)的無(wú)鎖狀態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)外，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化如下表：

重量級(jí)鎖也就是通常說(shuō)synchronized的對(duì)象鎖，鎖標(biāo)識(shí)位為10，其中指針指向的是monitor對(duì)象（也稱為管程或監(jiān)視器鎖）的起始地址。每個(gè)對(duì)象都存在著一個(gè) monitor 與之關(guān)聯(lián)，對(duì)象與其 monitor 之間的關(guān)系有存在多種實(shí)現(xiàn)方式，如monitor可以與對(duì)象一起創(chuàng)建銷毀或當(dāng)線程試圖獲取對(duì)象鎖時(shí)自動(dòng)生成，但當(dāng)一個(gè) monitor 被某個(gè)線程持有后，它便處于鎖定狀態(tài)。在Java虛擬機(jī)(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)的，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（位于HotSpot虛擬機(jī)源碼ObjectMonitor.hpp文件，C++實(shí)現(xiàn)的）

ObjectMonitor() {
    _header = NULL; _count = 0; //記錄個(gè)數(shù) 
    _waiters = 0, 
    _recursions = 0; _object = NULL; 
    _owner = NULL; 
    _WaitSet = NULL; //處于wait狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到_WaitSet 
    _WaitSetLock = 0 ; 
    _Responsible = NULL ; 
    _succ = NULL ; _cxq = NULL ; 
    FreeNext = NULL ; 
    _EntryList = NULL ; //處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到該列表 
    _SpinFreq = 0 ; 
    _SpinClock = 0 ; 
    OwnerIsThread = 0 ;
}

ObjectMonitor中有兩個(gè)隊(duì)列，_WaitSet 和 _EntryList，用來(lái)保存ObjectWaiter對(duì)象列表( 每個(gè)等待鎖的線程都會(huì)被封裝成ObjectWaiter對(duì)象)，_owner指向持有ObjectMonitor對(duì)象的線程，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一段同步代碼時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入 _EntryList 集合，當(dāng)線程獲取到對(duì)象的monitor 后進(jìn)入 _Owner 區(qū)域并把monitor中的owner變量設(shè)置為當(dāng)前線程同時(shí)monitor中的計(jì)數(shù)器count加1，若線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當(dāng)前持有的monitor，owner變量恢復(fù)為null，count自減1，同時(shí)該線程進(jìn)入 WaitSe t集合中等待被喚醒。若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放monitor(鎖)并復(fù)位變量的值，以便其他線程進(jìn)入獲取monitor(鎖)。如下圖所示

Monitor競(jìng)爭(zhēng).png

由此看來(lái)，monitor對(duì)象存在于每個(gè)Java對(duì)象的對(duì)象頭中(存儲(chǔ)的指針的指向)，synchronized鎖便是通過(guò)這種方式獲取鎖的，也是為什么Java中任意對(duì)象可以作為鎖的原因，同時(shí)也是notify/notifyAll/wait等方法存在于頂級(jí)對(duì)象Object中的原因。

JVM對(duì)synchronized的優(yōu)化

在Java早期版本中，synchronized屬于重量級(jí)鎖，效率低下，監(jiān)視器鎖（monitor）依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換時(shí)需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間。在Java 6之后Java官方對(duì)從JVM層面對(duì)synchronized較大優(yōu)化，為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來(lái)的性能消耗，引入了輕量級(jí)鎖和偏向鎖，接下來(lái)我們將簡(jiǎn)單了解一下Java官方在JVM層面對(duì)synchronized鎖的優(yōu)化。
鎖的狀態(tài)總共有四種，無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖。隨著鎖的競(jìng)爭(zhēng)，鎖可以從偏向鎖升級(jí)到輕量級(jí)鎖，再升級(jí)的重量級(jí)鎖，但是鎖的升級(jí)是單向的，也就是說(shuō)只能從低到高升級(jí)，不會(huì)出現(xiàn)鎖的降級(jí)。

• 偏向鎖

為了減少同一線程獲取鎖(會(huì)涉及到一些CAS操作,耗時(shí))的代價(jià)而引入偏向鎖。偏向鎖的核心思想是，如果一個(gè)線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)，會(huì)記錄這個(gè)線程ID，當(dāng)這個(gè)線程再次請(qǐng)求鎖時(shí)，無(wú)需再做任何同步操作，即獲取鎖的過(guò)程，從而也就提供程序的性能。所以，對(duì)于同一個(gè)線程申請(qǐng)相同的鎖的場(chǎng)合，偏向鎖有很好的優(yōu)化效果。但鎖競(jìng)爭(zhēng)比較激烈的場(chǎng)合，偏向鎖就失效了，這樣場(chǎng)合每次申請(qǐng)鎖的線程很可能不同，這種場(chǎng)合使用偏向鎖將得不償失，偏向鎖失敗后，并不會(huì)立即膨脹為重量級(jí)鎖，而是先升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

• 輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖所適應(yīng)的場(chǎng)景是線程交替在不同時(shí)間執(zhí)行同步塊的場(chǎng)合，如果存在同一時(shí)間訪問(wèn)同一鎖的場(chǎng)合，就會(huì)導(dǎo)致輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖。

• 自旋鎖

輕量級(jí)鎖失敗后，虛擬機(jī)還會(huì)進(jìn)行一項(xiàng)稱為自旋鎖的優(yōu)化手段。這是基于線程持有鎖的時(shí)間不太長(zhǎng)的情況，如果直接掛起操作系統(tǒng)層面的線程需要操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換，從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間，因此自旋鎖會(huì)假設(shè)在不久將來(lái)，當(dāng)前的線程可以獲得鎖，因此虛擬機(jī)會(huì)讓當(dāng)前想要獲取鎖的線程做幾個(gè)空循環(huán)(這也是稱為自旋的原因)，在經(jīng)過(guò)若干次循環(huán)后，如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)。如果還不能獲得鎖，那就會(huì)將線程在操作系統(tǒng)層面掛起，升級(jí)為重量級(jí)鎖了。

• 鎖消除

消除鎖是虛擬機(jī)另外一種鎖的優(yōu)化，Java虛擬機(jī)在JIT編譯時(shí)(可以簡(jiǎn)單理解為當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時(shí)進(jìn)行編譯，又稱即時(shí)編譯)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行上下文的掃描，去除不可能存在共享資源競(jìng)爭(zhēng)的鎖，如下StringBuffer的append是一個(gè)同步方法，但是在add方法中的StringBuffer屬于一個(gè)局部變量，并且不會(huì)被其他線程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享資源競(jìng)爭(zhēng)的情景，JVM會(huì)自動(dòng)將其鎖消除。

 * Created by zejian on 2017/6/4.
 * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian [原文地址,請(qǐng)尊重原創(chuàng)]
 * 消除StringBuffer同步鎖
 */ 
public class StringBufferRemoveSync { 

    public void add(String str1, String str2) { 
    //StringBuffer是線程安全,由于sb只會(huì)在append方法中使用,不可能被其他線程引用 
    //因此sb屬于不可能共享的資源,JVM會(huì)自動(dòng)消除內(nèi)部的鎖 
    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"); 
        } 
    } 
}

synchronized的可重入性

在java中synchronized是基于原子性的內(nèi)部鎖機(jī)制，是可重入的，因此在一個(gè)線程調(diào)用synchronized方法的同時(shí)在其方法體內(nèi)部調(diào)用該對(duì)象另一個(gè)synchronized方法，也就是說(shuō)一個(gè)線程得到一個(gè)對(duì)象鎖后再次請(qǐng)求該對(duì)象鎖，是允許的，這就是synchronized的可重入性。
需要特別注意另外一種情況，當(dāng)子類繼承父類時(shí)，子類也是可以通過(guò)可重入鎖調(diào)用父類的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor實(shí)現(xiàn)的，因此每次重入，monitor中的計(jì)數(shù)器仍會(huì)加1。