本文后面內(nèi)容來自《深入理解java虛擬機(jī)》一文，這本文感覺就像jvm圣經(jīng)一般，值得深入理解。

一、synchronized的特性

• 原子性：原子是世界上的最小單位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double類型） 這個(gè)操作是不可分割的，那么我們說這個(gè)操作時(shí)原子操作。再比如：a++； 這個(gè)操作實(shí)際是a = a + 1，它不是一個(gè)原子操作，它是可分割的，它也有并發(fā)問題，即使你加上了volatile關(guān)鍵字，這一點(diǎn)跟volatile不同。
• 可見性：是指線程之間的可見性，一個(gè)線程修改的狀態(tài)對另一個(gè)線程是可見的。也就是一個(gè)線程修改的結(jié)果。另一個(gè)線程馬上就能看到。
• 有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行，為什么這么說了，因?yàn)閖vm還會對輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行(out-of-order Execution)優(yōu)化，處理器會在計(jì)算之后將亂序執(zhí)行的結(jié)果重組，也就是java虛擬機(jī)的即時(shí)編譯器中也有指令重排序優(yōu)化。
• 可重入性：synchronized和ReentrantLock都是可重入鎖。當(dāng)一個(gè)線程試圖操作一個(gè)由其他線程持有的對象鎖的臨界資源時(shí)，將會處于阻塞狀態(tài)，但當(dāng)一個(gè)線程再次請求自己持有對象鎖的臨界資源時(shí)，這種情況屬于重入鎖?？芍厝胱畲蟮淖饔檬潜苊馑梨i，如：子類同步方法調(diào)用了父類同步方法，如沒有可重入的特性，則會發(fā)生死鎖；

二、synchronized的用法：

public class SynchronizedTest {

    public Object object = new Object();
    //成員函數(shù)加鎖，需要獲得當(dāng)前類實(shí)例對象的鎖
    public synchronized void add(){
        //TODO
    }
    // 靜態(tài)方法加鎖，需要獲得當(dāng)前類的鎖
    public synchronized static void add1(){
        //TODO
    }

    public void method(){
        //需要獲取SynchronizedTest類的鎖
        synchronized (SynchronizedTest.class){
            //TODO
        }
        //需要獲取object實(shí)例對象的鎖
        synchronized (object){
            //TODO
        }
        //需要獲取當(dāng)前類實(shí)例對象的鎖
        synchronized (this){
            //TODO
        }
    }
}

三、synchronized鎖的實(shí)現(xiàn)

前面也寫了synchronized有兩種形式上鎖，對方法上鎖和代碼塊。他們都是在進(jìn)入同步代碼之前先獲取鎖，獲取到鎖之后鎖的計(jì)數(shù)器+1，同步代碼執(zhí)行完鎖的計(jì)數(shù)器-1，如果獲取失敗就阻塞式等待鎖的釋放。只是他們在同步塊識別方式上有所不一樣，從class字節(jié)碼文件可以表現(xiàn)出來，一個(gè)是通過方法flags標(biāo)志，一個(gè)是monitorenter和monitorexit指令操作。
查看反編譯

synchronized同步代碼塊原理實(shí)現(xiàn)

需要注意的是有不止一個(gè)monitorexit呢？其實(shí)后面的monitorexit是來處理異常的，仔細(xì)看反編譯的字節(jié)碼，正常情況下第一個(gè)monitorexit之后會執(zhí)行g(shù)oto指令，也就是return語句，也就是說正常情況下只會執(zhí)行第一個(gè)monitorexit釋放鎖，然后返回。而如果在執(zhí)行中發(fā)生了異常，后面的monitorexit就起作用了，它是由編譯器自動生成的，在發(fā)生異常時(shí)處理異常然后釋放掉鎖。

因?yàn)樵趕ynchronized同步方法我沒找到flags里面多了一個(gè)ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)志，這標(biāo)志用來告訴JVM這是一個(gè)同步方法，在進(jìn)入該方法之前先獲取相應(yīng)的鎖，鎖的計(jì)數(shù)器加1，方法結(jié)束后計(jì)數(shù)器-1，如果獲取失敗就阻塞住，知道該鎖被釋放。所以這一塊 先放著，后續(xù)再加上來。

下面這些部分來自《深入理解java虛擬機(jī)》

四、synchronized實(shí)現(xiàn)鎖的基礎(chǔ)

對象儲存布局

• 實(shí)例數(shù)據(jù)：存放類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息；
• 對齊填充：由于虛擬機(jī)要求 對象起始地址必須是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)對齊；
• 對象頭：這部分拉出來單說。

對象頭

對象頭分為兩部分：

• Mark Word:用于儲存對象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，比如哈希碼，GC分代年齡，這部分?jǐn)?shù)據(jù)在32位和64位的虛擬機(jī)中分別為32bit和64bit，是實(shí)現(xiàn)輕量級鎖和偏向鎖的關(guān)鍵。
• Class Metadata Address：這部分用于存儲指向方法區(qū)對象數(shù)據(jù)類型的指針，如果是數(shù)組對象的話，還有一個(gè)額外的部分用于存儲數(shù)組長度。

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(jī)的空間效率，Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)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(yùn)行發(fā)生變化，同時(shí)前面也說過在32bit和64bit上Mark Word儲存結(jié)構(gòu)也不太一樣：

• 32bit

  
  
  32bit無鎖

32bit有鎖.png

關(guān)于鎖標(biāo)志位這部分結(jié)合這張圖來看：

Mark Word

• 64bit

  
  
  64bit有鎖和無鎖

五、jvm對鎖的優(yōu)化

自旋鎖和自適應(yīng)性自旋鎖

• 自旋鎖：出現(xiàn)背景是因?yàn)閽炱鹁€程和恢復(fù)賢臣改的操作需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成，這明顯不是一個(gè)好選擇，所以可以讓后面那個(gè)線程“稍等一下”，但是不放棄cpu時(shí)間，請注意，自旋鎖是占用cpu時(shí)間的，只是減少了線程狀態(tài)切換的消耗，如果說一直在那等肯定會極大浪費(fèi)cpu性能，所以自旋次數(shù)試試10次，可以使用-XX:PreBlockSpin來更改。
• 自適應(yīng)性自旋鎖：jdk1.6引入自適應(yīng)性自旋鎖，意味著自旋時(shí)間不再固定，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的轉(zhuǎn)態(tài)來決定，例如線程如果自旋成功了，那么下次自旋的次數(shù)會增多，因?yàn)镴VM認(rèn)為既然上次成功了，那么這次自旋也很有可能成功，那么它會允許自旋的次數(shù)更多。反之，如果對于某個(gè)鎖，自旋很少成功，那么在以后獲取這個(gè)鎖的時(shí)候，自旋的次數(shù)會變少甚至忽略，避免浪費(fèi)處理器資源。有了自適應(yīng)性自旋，隨著程序運(yùn)行和性能監(jiān)控信息的不斷完善，JVM對程序鎖的狀況預(yù)測就會變得越來越準(zhǔn)確，JVM也就變得越來越聰明。

鎖消除

鎖消除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭的鎖進(jìn)行消除。
在《深入理解java虛擬機(jī)》一文中這樣舉得例子：

    public String concatString(String str1,String str2,String str3){
        return str1+str2+str3;
    }

String是一個(gè)不可變的類，在jdk1.5之前，這段代碼會轉(zhuǎn)為stringBuffer對象的連續(xù)append(),在jdk1.5之后，會轉(zhuǎn)為StringBuilder對象的連續(xù)append()操作，因?yàn)閟tringBuffer.append()都有一個(gè)同步代碼塊，而這段代碼很明顯并不會出現(xiàn)并發(fā)問題，所以雖然這里有鎖，但是在即時(shí)編譯后會被安全消除掉。

鎖粗化：

如果一些列的連續(xù)操作都是對同一個(gè)對象反復(fù)加鎖和解鎖，即時(shí)沒有沒有線程競爭，頻繁的進(jìn)行互斥同步操作也會導(dǎo)致不必要的性能損耗。

    public String concatString2(String str1,String str2,String str3){
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1);
        sb.append(str2);
        sb.append(str3);
        return sb.toString();
    }

前面說過stringBuffer.append()都有一個(gè)同步代碼塊，這種情況下如果虛擬機(jī)檢測到有這樣一串零碎的操作都是對用一個(gè)對象加鎖，將會把加鎖同步的范圍拓展（粗化）到整個(gè)操作序列的外部，也就是上面這段代碼只加鎖一次。

輕量級鎖

加鎖過程：

• 代碼進(jìn)入同步塊的時(shí)候，如果同步對象鎖狀態(tài)為無鎖狀態(tài)(鎖標(biāo)志位為"01"狀態(tài)，是否為偏向鎖為"0")，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 Recored)的空間，用于儲存鎖對象目前的Mark Word的拷貝(官方把這份拷貝加了個(gè)Displaced前綴，即Displaced Mark Word)。此時(shí)線程堆棧和對象頭的狀態(tài)如下：

  
  
  輕量級鎖cas操作前堆棧和對象的狀態(tài)

• 將對象頭的Mark Word拷貝到線程的鎖記錄(Lock Recored)中。

• 虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針。如果這個(gè)更新成功了，這個(gè)線程就擁有了該對象的鎖，并且對象Mark Word的鎖標(biāo)志位將轉(zhuǎn)變?yōu)?00"，即表示此對象處于輕量級鎖的狀態(tài)。這時(shí)線程堆棧和對象頭的狀態(tài)如下：

  
  
  輕量級鎖cas操作后堆棧和對象的狀態(tài)

• 如果更新失敗，虛擬機(jī)首先會檢查對象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是就說明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對象的鎖，可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行，否則說明這個(gè)鎖對象已經(jīng)被其其它線程搶占了。如果多個(gè)線程競爭鎖，進(jìn)入自旋執(zhí)行上一步，自旋結(jié)束后仍未獲得鎖，輕量級鎖就需要膨脹為重量級鎖，鎖標(biāo)志位狀態(tài)值變?yōu)?10"，Mark Word中儲存就是指向重量級的指針，當(dāng)前線程以及后面等待鎖的線程也要進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

釋放鎖的過程：

• 使用CAS操作將對象當(dāng)前的Mark Word和線程中復(fù)制的Displaced Mark Word替換回來(依據(jù)Mark Word中鎖記錄指針是否還指向本線程的鎖記錄)。
• 如果替換成功，整個(gè)同步過程就完成了，恢復(fù)到無鎖的狀態(tài)(01)。
• 如果替換失敗，說明有其他線程嘗試獲取該鎖(此時(shí)鎖已膨脹)，那就要在釋放鎖的同時(shí)，喚醒被掛起的線程。

偏向鎖

目的是消除數(shù)據(jù)在無競爭情況下的同步原語，進(jìn)一步提高程序的運(yùn)行性能。如果說輕量級鎖是在無競爭的情況下使用CAS操作區(qū)消除同步使用的互斥量，那么偏向鎖就是在無競爭的情況下把整個(gè)同步都消除掉，連CAS操作都不用做了。偏向鎖默認(rèn)是開啟的，也可以關(guān)閉。
偏向鎖"偏"，就是"偏心"的"偏"，它的意思是這個(gè)鎖會偏向于第一個(gè)獲得它的程序，如果在接下來的執(zhí)行過程中，該鎖沒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。

獲取鎖的過程：

• 當(dāng)鎖第一次被線程嘗試獲取的時(shí)候，虛擬機(jī)會把對象頭中的標(biāo)志位設(shè)為"01",也就是偏向模式，同時(shí)使用cas操作吧獲取到這個(gè)鎖的線程id記錄在對象的mark word中，如果cas設(shè)置成功，持有偏向鎖的線程以后每次進(jìn)入這個(gè)鎖相關(guān)的同步塊時(shí)都不需要進(jìn)行任何同步操作。

• 當(dāng)有另外一個(gè)線程嘗試獲取這個(gè)鎖時(shí)，偏向模式就結(jié)束了，檢查Mark Word是否為可偏向鎖的狀態(tài)，即是否偏向鎖即為1即表示支持可偏向鎖，否則為0表示不支持可偏向鎖。如果是可偏向鎖，則檢查Mark Word儲存的線程ID是否為當(dāng)前線程ID，如果是則執(zhí)行同步塊，否則通過CAS操作去修改線程ID修改成本線程的ID，如果修改成功則執(zhí)行同步代碼塊，否則掛起這個(gè)線程，升級為輕量級鎖。
  也就是根據(jù)鎖對象是否處于被鎖定的狀態(tài)，撤銷偏向后到未鎖定（標(biāo)志位為01）或輕量級鎖（標(biāo)志位為00）的狀態(tài)。
  偏向鎖和輕量級鎖的狀態(tài)轉(zhuǎn)化和對象Mark Word的關(guān)系如下：

  
  
  偏向鎖和輕量級鎖的狀態(tài)轉(zhuǎn)化和對象Mark Word

鎖釋放

• 1：有其他線程來獲取這個(gè)鎖，偏向鎖的釋放采用了一種只有競爭才會釋放鎖的機(jī)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。
  -:2：等待全局安全點(diǎn)(在這個(gè)是時(shí)間點(diǎn)上沒有字節(jié)碼正在執(zhí)行)。
  -:3：暫停擁有偏向鎖的線程，檢查持有偏向鎖的線程是否活著，如果不處于活動狀態(tài)，則將對象頭設(shè)置為無鎖狀態(tài)，否則設(shè)置為被鎖定狀態(tài)。如果鎖對象處于無鎖狀態(tài)，則恢復(fù)到無鎖狀態(tài)(01)，以允許其他線程競爭，如果鎖對象處于鎖定狀態(tài)，則掛起持有偏向鎖的線程，并將對象頭Mark Word的鎖記錄指針改成當(dāng)前線程的鎖記錄，鎖升級為輕量級鎖狀態(tài)(00)。

重量級鎖

Synchronized是通過對象內(nèi)部的一個(gè)叫做 監(jiān)視器鎖（Monitor）來實(shí)現(xiàn)的。但是監(jiān)視器鎖本質(zhì)又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來實(shí)現(xiàn)的。而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)成本非常高，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時(shí)間，這就是為什么Synchronized效率低的原因。因此，這種依賴于操作系統(tǒng)Mutex Lock所實(shí)現(xiàn)的鎖我們稱之為 “重量級鎖”。