Java——synchronized 关键字原理

synchronized 关键字原理

众所周知 synchronized 关键字是解决并发问题常用解决方案，有以下三种使用方式:

• 同步普通方法，锁的是当前对象。
• 同步静态方法，锁的是当前 Class 对象。
• 同步块，锁的是 () 中的对象。

实现原理： JVM 是通过进入、退出对象监视器( Monitor )来实现对方法、同步块的同步的。

具体实现是在编译之后在同步方法调用前加入一个 monitor.enter 指令，在退出方法和异常处插入 monitor.exit 的指令。

其本质就是对一个对象监视器( Monitor )进行获取，而这个获取过程具有排他性从而达到了同一时刻只能一个线程访问的目的。

而对于没有获取到锁的线程将会阻塞到方法入口处，直到获取锁的线程 monitor.exit 之后才能尝试继续获取锁。

流程图如下:

通过一段代码来演示:

    public static void main(String[] args) {
        synchronized (Synchronize.class){
            System.out.println("Synchronize");
        }
    }

使用 javap -c Synchronize 可以查看编译之后的具体信息。

public class com.crossoverjie.synchronize.Synchronize {
  public com.crossoverjie.synchronize.Synchronize();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: ldc           #2                  // class com/crossoverjie/synchronize/Synchronize
       2: dup
       3: astore_1
       **4: monitorenter**
       5: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       8: ldc           #4                  // String Synchronize
      10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      13: aload_1
      **14: monitorexit**
      15: goto          23
      18: astore_2
      19: aload_1
      20: monitorexit
      21: aload_2
      22: athrow
      23: return
    Exception table:
       from    to  target type
           5    15    18   any
          18    21    18   any
}

可以看到在同步块的入口和出口分别有 monitorenter,monitorexit 指令。

锁优化

synchronized 很多都称之为重量锁，JDK1.6 中对 synchronized 进行了各种优化，为了能减少获取和释放锁带来的消耗引入了偏向锁和轻量锁。

轻量锁

当代码进入同步块时，如果同步对象为无锁状态时，当前线程会在栈帧中创建一个锁记录(Lock Record)区域，同时将锁对象的对象头中 Mark Word 拷贝到锁记录中，再尝试使用 CAS 将 Mark Word 更新为指向锁记录的指针。

如果更新成功，当前线程就获得了锁。

如果更新失败 JVM 会先检查锁对象的 Mark Word 是否指向当前线程的锁记录。

如果是则说明当前线程拥有锁对象的锁，可以直接进入同步块。

不是则说明有其他线程抢占了锁，如果存在多个线程同时竞争一把锁，轻量锁就会膨胀为重量锁。

解锁

轻量锁的解锁过程也是利用 CAS 来实现的，会尝试锁记录替换回锁对象的 Mark Word 。如果替换成功则说明整个同步操作完成，失败则说明有其他线程尝试获取锁，这时就会唤醒被挂起的线程(此时已经膨胀为重量锁)

轻量锁能提升性能的原因是：

认为大多数锁在整个同步周期都不存在竞争，所以使用 CAS 比使用互斥开销更少。但如果锁竞争激烈，轻量锁就不但有互斥的开销，还有 CAS 的开销，甚至比重量锁更慢。

偏向锁

为了进一步的降低获取锁的代价，JDK1.6 之后还引入了偏向锁。

偏向锁的特征是:锁不存在多线程竞争，并且应由一个线程多次获得锁。

当线程访问同步块时，会使用 CAS 将线程 ID 更新到锁对象的 Mark Word 中，如果更新成功则获得偏向锁，并且之后每次进入这个对象锁相关的同步块时都不需要再次获取锁了。

释放锁

当有另外一个线程获取这个锁时，持有偏向锁的线程就会释放锁，释放时会等待全局安全点(这一时刻没有字节码运行)，接着会暂停拥有偏向锁的线程，根据锁对象目前是否被锁来判定将对象头中的 Mark Word 设置为无锁或者是轻量锁状态。

偏向锁可以提高带有同步却没有竞争的程序性能，但如果程序中大多数锁都存在竞争时，那偏向锁就起不到太大作用。可以使用 -XX:-userBiasedLocking=false 来关闭偏向锁，并默认进入轻量锁。

自旋锁

线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态，频繁的阻塞和唤醒对CPU来说是一件负担很重的工作，势必会给系统的并发性能带来很大的压力。同时我们发现在许多应用上面，对象锁的锁状态只会持续很短一段时间，为了这一段很短的时间频繁地阻塞和唤醒线程是非常不值得的。所以引入自旋锁。

何谓自旋锁？

所谓自旋锁，就是让该线程等待一段时间，不会被立即挂起，看持有锁的线程是否会很快释放锁。怎么等待呢？执行一段无意义的循环即可（自旋）。

自旋等待不能替代阻塞，先不说对处理器数量的要求（多核，貌似现在没有单核的处理器了），虽然它可以避免线程切换带来的开销，但是它占用了处理器的时间。如果持有锁的线程很快就释放了锁，那么自旋的效率就非常好，反之，自旋的线程就会白白消耗掉处理的资源，它不会做任何有意义的工作，典型的占着茅坑不拉屎，这样反而会带来性能上的浪费。所以说，自旋等待的时间（自旋的次数）必须要有一个限度，如果自旋超过了定义的时间仍然没有获取到锁，则应该被挂起。

自旋锁在JDK 1.4.2中引入，默认关闭，但是可以使用-XX:+UseSpinning开开启，在JDK1.6中默认开启。同时自旋的默认次数为10次，可以通过参数-XX:PreBlockSpin来调整；

如果通过参数-XX:preBlockSpin来调整自旋锁的自旋次数，会带来诸多不便。假如我将参数调整为10，但是系统很多线程都是等你刚刚退出的时候就释放了锁（假如你多自旋一两次就可以获取锁），你是不是很尴尬。于是JDK1.6引入自适应的自旋锁，让虚拟机会变得越来越聪明。

适应性自旋

JDK 1.6引入了更加聪明的自旋锁，即自适应自旋锁。所谓自适应就意味着自旋的次数不再是固定的，它是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。它怎么做呢？线程如果自旋成功了，那么下次自旋的次数会更加多，因为虚拟机认为既然上次成功了，那么此次自旋也很有可能会再次成功，那么它就会允许自旋等待持续的次数更多。反之，如果对于某个锁，很少有自旋能够成功的，那么在以后要或者这个锁的时候自旋的次数会减少甚至省略掉自旋过程，以免浪费处理器资源。

有了自适应自旋锁，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，虚拟机对程序锁的状况预测会越来越准确，虚拟机会变得越来越聪明。

锁消除

为了保证数据的完整性，我们在进行操作时需要对这部分操作进行同步控制，但是在有些情况下，JVM检测到不可能存在共享数据竞争，这是JVM会对这些同步锁进行锁消除。锁消除的依据是逃逸分析的数据支持。

如果不存在竞争，为什么还需要加锁呢？所以锁消除可以节省毫无意义的请求锁的时间。变量是否逃逸，对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确定，但是对于我们程序员来说这还不清楚么？我们会在明明知道不存在数据竞争的代码块前加上同步吗？但是有时候程序并不是我们所想的那样？我们虽然没有显示使用锁，但是我们在使用一些JDK的内置API时，如StringBuffer、Vector、HashTable等，这个时候会存在隐形的加锁操作。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);
    }

在运行这段代码时，JVM可以明显检测到变量vector没有逃逸出方法vectorTest()之外，所以JVM可以大胆地将vector内部的加锁操作消除。

锁粗化

我们知道在使用同步锁的时候，需要让同步块的作用范围尽可能小—仅在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样做的目的是为了使需要同步的操作数量尽可能缩小，如果存在锁竞争，那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。

在大多数的情况下，上述观点是正确的，LZ也一直坚持着这个观点。但是如果一系列的连续加锁解锁操作，可能会导致不必要的性能损耗，所以引入锁粗话的概念。

锁粗话概念比较好理解，就是将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。如上面实例：vector每次add的时候都需要加锁操作，JVM检测到对同一个对象（vector）连续加锁、解锁操作，会合并一个更大范围的加锁、解锁操作，即加锁解锁操作会移到for循环之外。