二刷Java多线程：synchronized关键字详解

一、synchronized简介

synchronized块是Java提供的一种原子性内置锁，Java中的每个对象都可以把它当作一个同步锁来使用，这些Java内置的使用者看不到的锁被称为内部锁，也叫作监视器锁。 线程的执行代码在进入synchronized代码块前会自动获取内部锁，这时候其他线程访问该同步代码块时会被阻塞挂起。拿到内部锁的线程会在正常退出同步代码块或者抛出异常后或者在同步块内调用了该内置锁资源的wait系列方法时释放该内置锁。内置锁是排它锁, 也就是当一个线程获取这个锁后，其他线程必须等待该线程释放锁后才能获取该锁

另外，由于Java中的线程是与操作系统的原生线程一一对应的，所以当阻塞一个线程时，需要从用户态切换到内核态执行阻塞操作，这是很耗时的操作，而synchronized的使用就会导致上下文切换

二、synchronized应用及特性

1、synchronized的三种应用方式

synchronized关键字最主要有以下3种应用方式：

修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁

修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码块前要获得给定对象的锁

2、可重入性

当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，如果是重入锁，请求将会成功，在Java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性

三、synchronized底层语义原理

JVM基于进入和退出管程（Monitor）对象来实现方法同步（隐式同步）和代码块同步（显式同步），但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令来实现的，而方法同步是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的ACC_SYNCHRONIZED标志来隐式实现的

monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁

1、Java对象头与Monitor

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据和对齐填充

对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称它为Mark Word

Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间 在32位的HotSpot虚拟机中，如果对象处于无锁状态下，那么Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit为0（是否是偏向锁），而在其他状态下对象的存储内容如下

存储内容标志位状态对象哈希码、对象分代年龄01未锁定指向所记录的指针00轻量级锁定指向重量级锁的指针10膨胀（重量级锁定）空，不需要记录信息11GC标记偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄01可偏向

对象头的另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中

对齐填充并不是必然存在的，它仅仅起着占位符的作用，由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，而对象头部分正好是8字节的倍数，因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全

以上是对JVM相关知识的回顾，重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁，锁标识位为10，其中指针指向的是monitor对象（也称管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个monitor与之关联，对象与其monitor之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个monitor被某个线程持有后，它便处于锁定状态。在HotSpot虚拟机中，monitor是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）

ObjectMonitor() { _header = NULL; _count = 0; //记录个数 _waiters = 0, _recursions = 0; _object = NULL; _owner = NULL; _WaitSet = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet _WaitSetLock = 0 ; _Responsible = NULL ; _succ = NULL ; _cxq = NULL ; FreeNext = NULL ; _EntryList = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表 _SpinFreq = 0 ; _SpinClock = 0 ; OwnerIsThread = 0 ; }

ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet和_EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表（每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象），_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入_EntryList集合，当线程获取到对象的monitor后进入_Owner区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1，若线程调用wait()方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor（锁）并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor（锁）

2、synchronized代码块底层原理

定义一个synchronized修饰的同步代码块，在代码块中操作共享变量i，如下

public class SyncCodeBlock { public int i; public void syncTask() { synchronized (this) { i++; } } }

使用javap分析Class文件字节码，命令为javap -verbose SyncCodeBlock.class，来看一下和syncTask()方法相关的部分：

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 //进入同步方法 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 //退出同步方法 16: goto 24 19: astore_2 20: aload_1 21: monitorexit //退出同步方法 22: aload_2 23: athrow 24: return

从字节码中可知同步代码块的实现使用的是monitorenter和monitorexit指令，其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置，当执行monitorenter指令时，当前线程将试图获取objectref所对应的monitor的持有权，当objectref的monitor的进入计数器为0，那线程可以成功取得 monitor，并将计数器值设置为1，取锁成功。如果当前线程已经拥有objectref的monitor的持有权，那它可以重入这个monitor （重入性），重入时计数器的值也会加1

如果其他线程已经拥有objectref的monitor的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行线程执行完毕，即monitorexit指令被执行，执行线程将释放monitor（锁）并设置计数器值为0 ，其他线程将有机会持有monitor

编译器将会确保无论方法通过何种方式完成，方法中调用过的每条monitorenter指令都有执行其对应monitorexit指令，而无论这个方法是正常结束还是异常结束。为了保证在方法异常完成时monitorenter和 monitorexit指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行monitorexit指令。从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令，它就是异常结束时被执行的释放monitor的指令

3、synchronized方法底层原理

方法级的同步是隐式，即无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构（method_info Structure）中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志区分一个方法是否同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有monitor， 然后再执行方法，最后在方法完成（无论是正常完成还是非正常完成）时释放monitor。在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放

public class SyncMethod { public int i; public synchronized void syncTask() { i++; } } public synchronized void syncTask(); descriptor: ()V 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

从字节码中可以看出，synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用

四、JVM对synchronized的优化

在Java6之前，monitor的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，所以同步操作是一个重量级操作，效率低下。在Java6之后，JVM对此进行改进，提供了三种不同的monitor实现，也就是常说的三种不同的锁：偏向锁、轻量级锁和重量级锁

1、偏向锁

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程

1）、偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程

2）、关闭偏向锁

偏向锁在Java6和Java7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟后才激活，如果必要刻意使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartUpDelay=0或直接关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false

2、轻量级锁

1）、轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁

2）、轻量级锁解锁

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进入新一轮的争锁之战

3、锁的优缺点对比

参考：

https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483