Java中synchronized的实现原理与应用

Java中的每一个对象都可以作为锁，而在Synchronized实现同步的几种方式中分别为：

• 普通同步方法：锁是当前实例对象
• 静态同步方法：锁是当前类的Class对象
• 同步方法块：锁是Synchronized括号里配置的对象

任何一个对象都一个Monitor与之关联，当且一个Monitor被持有后，它将处于锁定状态。Synchronized在JVM里的实现都是基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，虽然具体实现细节不一样，但是都可以通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现。MonitorEnter指令插入在同步代码块的开始位置，当代码执行到该指令时，将会尝试获取该对象Monitor的所有权，即尝试获得该对象的锁，而monitorExit指令则插入在方法结束处和异常处，JVM保证每个MonitorEnter必须有对应的MonitorExit。

Java对象头

synchronized使用的锁是存放在Java对象头里面，具体位置是对象头里面的MarkWord，MarkWord里默认数据是存储对象的HashCode等信息，但是会随着对象的运行改变而发生变化，不同的锁状态对应着不同的记录存储方式，可能值如下所示：

无锁状态 ： 对象的HashCode + 对象分代年龄 + 状态位001

Monitor Record

Monitor Record是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor record关联（对象头的MarkWord中的LockWord指向monitor record的起始地址），同时monitor record中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。如下图所示为Monitor Record的内部结构

Monitor Record
Owner
EntryQ
RcThis
Nest
HashCode
Candidate

Owner：初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL；

EntryQ:关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程。

RcThis:表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数。

Nest:用来实现重入锁的计数。

HashCode:保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。

Candidate:用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。

锁的类型

Java SE1.6里锁一共有四种状态，无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

                                 无锁 --> 偏向锁 --> 轻量级 --> 重量级

偏向锁

引入背景：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，减少不必要的CAS操作。

加锁：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花费CAS操作来加锁和解锁，而只需简单的测试一下对象头的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（此时会引发竞争，偏向锁会升级为轻量级锁）。

膨胀过程：当前线程执行CAS获取偏向锁失败（这一步是偏向锁的关键），表示在该锁对象上存在竞争并且这个时候另外一个线程获得偏向锁所有权。当到达全局安全点（safepoint）时获得偏向锁的线程被挂起，并从偏向锁所有者的私有Monitor Record列表中获取一个空闲的记录，并将Object设置LightWeight Lock状态并且Mark Word中的LockRecord指向刚才持有偏向锁线程的Monitor record，最后被阻塞在安全点的线程被释放，进入到轻量级锁的执行路径中，同时被撤销偏向锁的线程继续往下执行同步代码。

轻量级锁

引入背景：这种锁实现的背后基于这样一种假设，即在真实的情况下我们程序中的大部分同步代码一般都处于无锁竞争状态（即单线程执行环境），在无锁竞争的情况下完全可以避免调用操作系统层面的重量级互斥锁，取而代之的是在monitorenter和monitorexit中只需要依靠一条CAS原子指令就可以完成锁的获取及释放。当存在锁竞争的情况下，执行CAS指令失败的线程将调用操作系统互斥锁进入到阻塞状态，当锁被释放的时候被唤醒

加锁：
（1）当对象处于无锁状态时（RecordWord值为HashCode，状态位为001），线程首先从自己的可用moniter record列表中取得一个空闲的moniter record，初始Nest和Owner值分别被预先设置为1和该线程自己的标识，一旦monitor record准备好然后我们通过CAS原子指令安装该monitor record的起始地址到对象头的LockWord字段，如果存在其他线程竞争锁的情况而调用CAS失败，则只需要简单的回到monitorenter重新开始获取锁的过程即可。

（2）对象已经被膨胀同时Owner中保存的线程标识为获取锁的线程自己，这就是重入（reentrant）锁的情况，只需要简单的将Nest加1即可。不需要任何原子操作，效率非常高。

（3）对象已膨胀但Owner的值为NULL，当一个锁上存在阻塞或等待的线程同时锁的前一个拥有者刚释放锁时会出现这种状态，此时多个线程通过CAS原子指令在多线程竞争状态下试图将Owner设置为自己的标识来获得锁，竞争失败的线程在则会进入到第四种情况（4）的执行路径。

（4）对象处于膨胀状态同时Owner不为NULL(被锁住)，在调用操作系统的重量级的互斥锁之前先自旋一定的次数，当达到一定的次数时如果仍然没有成功获得锁，则开始准备进入阻塞状态，首先将rfThis的值原子性的加1，由于在加1的过程中可能会被其他线程破坏Object和monitor record之间的关联，所以在原子性加1后需要再进行一次比较以确保LockWord的值没有被改变，当发现被改变后则要重新monitorenter过程。同时再一次观察Owner是否为NULL，如果是则调用CAS参与竞争锁，锁竞争失败则进入到阻塞状态。

不同锁的比较

参考

方腾飞：Java SE1.6中的Synchronized
JVM内部细节之一：synchronized关键字及实现细节（轻量级锁Lightweight Locking）