Synchronized

Synchronized

Synchronized 三种应用方式

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，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

Synchronized 底层语义原理

JVM中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现， 无论是显式同步还是隐式同步都是如此。

• synchronized同步代码块底层原理

在 Java 语言中，同步语句块实现使用的是monitorenter和monitorexit指令。例如:

//同步代码块
public class SyncCodeBlock { 
public int i; 
public void syncTask(){ //同步代码库 
    synchronized (this){ i++; } 
    } 
}

//使用javap反编译后的syncTask部分字节码
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 //注意此处，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 //注意此处，退出同步方法 
      16: goto 24 
      19: astore_2 
      20: aload_1 
      21: monitorexit //注意此处，退出同步方法 
      22: aload_2 
      23: athrow 
      24: return Exception table: 
        //省略其他字节码....... 
}

值得注意的是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。

• synchronized 同步方法底层原理

方法级的同步是隐式的，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（虚拟机规范中用的是管程一词）， 然后再执行方法，最后再方法完成(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。下面我们看看字节码层面如何实现：

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

//使用javap反编译后的syncTask部分字节码:
public synchronized void syncTask(); 
    descriptor: ()V 
//方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰 ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
    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

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。

• 理解Java对象头与Monitor

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

填充数据：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐，这点了解即可。

而对于顶部，则是Java头对象，它实现synchronized的锁对象的基础，这点我们重点分析它，一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的，jvm中采用2个字来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)，其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address 组成，其结构说明如下表：

虚拟机位数	头对象结构	说明
32/64bit	Mark Word	存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息
32/64bit	Class Metadata Address	类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例

其中Mark Word在默认情况下存储着对象的HashCode、分代年龄、锁标记位等。由于对象头的信息是与对象自身定义的数据没有关系的额外存储成本，因此考虑到JVM的空间效率，Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构，以便存储更多有效的数据，它会根据对象本身的状态复用自己的存储空间，如32位JVM下，除了Mark Word默认的无锁状态存储结构外，结构可能发生变化如下表：

锁状态	25bit	4bit	1bit是否是偏向锁	2bit标志位
无锁状态	对象HashCode	对象分代年龄	0	01
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针	指针占用	指针占用	00
重量级锁	指向互斥量(重量级锁)的指针	指针占用	指针占用	10
GC标记	空	空	空	11
偏向锁	线程ID(23bit) Epoch(2bit)	对象分代年龄	1	01

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（也称为管程或监视器锁）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Java虚拟机(HotSpot)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 WaitSe t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)。如下图所示

Monitor竞争.png

由此看来，monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因。

JVM对synchronized的优化

在Java早期版本中，synchronized属于重量级锁，效率低下，监视器锁（monitor）依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个转换需要相对比较长的时间。在Java 6之后Java官方对从JVM层面对synchronized较大优化，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁，接下来我们将简单了解一下Java官方在JVM层面对synchronized锁的优化。
锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级。

• 偏向锁

为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，会记录这个线程ID，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，从而也就提供程序的性能。所以，对于同一个线程申请相同的锁的场合，偏向锁有很好的优化效果。但锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，这样场合每次申请锁的线程很可能不同，这种场合使用偏向锁将得不偿失，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。

• 轻量级锁

轻量级锁所适应的场景是线程交替在不同时间执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

• 自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于线程持有锁的时间不太长的情况，如果直接挂起操作系统层面的线程需要操作系统实现线程之间的切换，从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，升级为重量级锁了。

• 锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，如下StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

 * Created by zejian on 2017/6/4.
 * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian [原文地址,请尊重原创]
 * 消除StringBuffer同步锁
 */ 
public class StringBufferRemoveSync { 

    public void add(String str1, String str2) { 
    //StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用 
    //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁 
    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。
需要特别注意另外一种情况，当子类继承父类时，子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor实现的，因此每次重入，monitor中的计数器仍会加1。