浅谈Synchronized的原理

1.引言

在并发编程中Synchronized一直都是元老级的角色，Jdk 1.6以前大家都称呼它为重量级锁，相对于J U C包提供的Lock，它会显得笨重，不过随着Jdk 1.6对Synchronized进行各种优化后，Synchronized性能已经非常快了。

内容大纲

2.Synchronized使用方式

Synchronized是Java提供的同步关键字，在多线程场景下，对共享资源代码段进行读写操作（必须包含写操作，光读不会有线程安全问题，因为读操作天然具备线程安全特性），可能会出现线程安全问题，我们可以使用Synchronized锁定共享资源代码段，达到互斥（mutualexclusion）效果，保证线程安全。

共享资源代码段又称为临界区（critical section），保证临界区互斥，是指执行临界区（critical section）的只能有一个线程执行，其他线程阻塞等待，达到排队效果。

Synchronized的使用方式有三种

• 修饰普通函数，监视器锁（monitor）便是对象实例（this 当前类的对象！）
• 修饰静态静态函数，视器锁（monitor）便是对象的Class实例（每个对象只有一个Class实例）
• 修饰代码块，监视器锁（monitor）是指定对象实例

2.1.普通函数

普通函数使用Synchronized的方式很简单，在访问权限修饰符与函数返回类型间加上Synchronized。

多线程场景下，thread与threadTwo两个线程执行incr函数，incr函数作为共享资源代码段被多线程读写操作，我们将它称为临界区，为了保证临界区互斥，使用Synchronized修饰incr函数即可。

public class SyncTest {

    private int j = 0;
    
    /**
     * 自增方法
     */
    public synchronized void incr(){
        //临界区代码--start
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            j++;
        }
        //临界区代码--end
    }

    public int getJ() {
        return j;
    }
}

public class SyncMain {

    public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
        SyncTest syncTest = new SyncTest();
        
        Thread thread = new Thread(() -> syncTest.incr());
        Thread threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incr());
        
        thread.start();
        threadTwo.start();
        
        thread.join();
        threadTwo.join();
        
        //最终打印结果是20000，如果不使用synchronized修饰，就会导致线程安全问题，输出不确定结果
        System.out.println(syncTest.getJ());
    }

}

代码十分简单，incr函数被synchronized修饰，函数逻辑是对j进行10000次累加，两个线程执行incr函数，最后输出j结果。

被synchronized修饰函数我们简称同步函数，线程执行称同步函数前，需要先获取监视器锁，简称锁，获取锁成功才能执行同步函数，同步函数执行完后，线程会释放锁并通知唤醒其他线程获取锁，获取锁失败「则阻塞并等待通知唤醒该线程重新获取锁」，同步函数会以this作为锁，即当前对象，以上面的代码段为例就是syncTest对象。

线程thread执行syncTest.incr()前
线程thread获取锁成功
线程threadTwo执行syncTest.incr()前
线程threadTwo获取锁失败
线程threadTwo阻塞并等待唤醒
线程thread执行完syncTest.incr()，j累积到10000
线程thread释放锁，通知唤醒threadTwo线程获取锁
线程threadTwo获取锁成功
线程threadTwo执行完syncTest.incr()，j累积到20000
线程threadTwo释放锁

2.2.静态函数

静态函数顾名思义，就是静态的函数，它使用Synchronized的方式与普通函数一致，唯一的区别是锁的对象不再是this，而是Class对象。

多线程执行Synchronized修饰静态函数代码段如下。

public class SyncTest {

    private static int j = 0;
    
    /**
     * 自增方法
     */
    public static synchronized void incr(){
        //临界区代码--start
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            j++;
        }
        //临界区代码--end
    }

    public static int getJ() {
        return j;
    }
}

public class SyncMain {

    public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> SyncTest.incr());
        Thread threadTwo = new Thread(() -> SyncTest.incr());
        thread.start();
        threadTwo.start();
        thread.join();
        threadTwo.join();
        //最终打印结果是20000，如果不使用synchronized修饰，就会导致线程安全问题，输出不确定结果
        System.out.println(SyncTest.getJ());
    }

}

Java的静态资源可以直接通过类名调用，静态资源不属于任何实例对象，它只属于Class对象，每个Class在J V M中只有唯一的一个Class对象，所以同步静态函数会以Class对象作为锁，后续获取锁、释放锁流程都一致。

2.3.代码块

前面介绍的普通函数与静态函数粒度都比较大，以整个函数为范围锁定，现在想把范围缩小、灵活配置，就需要使用代码块了，使用{}符号定义范围给Synchronized修饰。

下面代码中定义了syncDbData函数，syncDbData是一个伪同步数据的函数，耗时2秒，并且逻辑不涉及共享资源读写操作（非临界区），另外还有两个函数incr与incrTwo，都是在自增逻辑前执行了syncDbData函数，只是使用Synchronized的姿势不同，一个是修饰在函数上，另一个是修饰在代码块上。

public class SyncTest {

    private static int j = 0;


    /**
     * 同步库数据，比较耗时，代码资源不涉及共享资源读写操作。
     */
    public void syncDbData() {
        System.out.println("db数据开始同步------------");
        try {
            //同步时间需要2秒
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("db数据开始同步完成------------");
    }

    //自增方法
    public synchronized void incr() {
        //start--临界区代码
        //同步库数据
        syncDbData();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            j++;
        }
        //end--临界区代码
    }

    //自增方法
    public void incrTwo() {
        //同步库数据
        syncDbData();
        synchronized (this) {
            //start--临界区代码
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                j++;
            }
            //end--临界区代码
        }

    }

    public int getJ() {
        return j;
    }

}


public class SyncMain {

    public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
        //incr同步方法执行
        SyncTest syncTest = new SyncTest();
        Thread thread = new Thread(() -> syncTest.incr());
        Thread threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incr());
        thread.start();
        threadTwo.start();
        thread.join();
        threadTwo.join();
        //最终打印结果是20000
        System.out.println(syncTest.getJ());

        //incrTwo同步块执行
        thread = new Thread(() -> syncTest.incrTwo());
        threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incrTwo());
        thread.start();
        threadTwo.start();
        thread.join();
        threadTwo.join();
        //最终打印结果是40000
        System.out.println(syncTest.getJ());
    }

}

先看看incr同步方法执行，流程和前面没区别，只是Synchronized锁定的范围太大，把syncDbData()也纳入临界区中，多线程场景执行，会有性能上的浪费，因为syncDbData()完全可以让多线程并行或并发执行。

我们通过代码块的方式，来缩小范围，定义正确的临界区，提升性能，目光转到incrTwo同步块执行，incrTwo函数使用修饰代码块的方式同步，只对自增代码段进行锁定。

代码块同步方式除了灵活控制范围外，还能做线程间的协同工作，因为Synchronized ()括号中能接收任何对象作为锁，所以可以通过Object的wait、notify、notifyAll等函数，做多线程间的通信协同（本文不对线程通信协同做展开，主角是Synchronized，而且也不推荐去用这些方法，因为LockSupport工具类会是更好的选择）。

同步代码块锁的粒度更小，可以灵活控制范围，效率可以更高！

同步代码块可以把任意对象当做锁！

同步方法是整个方法加锁，更安全，但是效率低！

HashMap(线程不安全,效率高)----->ConcurrentHashMap(线程安全，效率居中)---->HashTable(线程最安全，效率最低)

ConcurrentHashMap分段加锁，加的同步代码块！

wait：当前线程暂停，释放锁
notify：释放锁，唤醒调用了wait的线程（如果有多个随机唤醒一个）
notifyAll：释放锁，唤醒调用了wait的所有线程

3.Synchronized原理

public class SyncTest {

    private static int j = 0;


    /**
     * 同步库数据，比较耗时，代码资源不涉及共享资源读写操作。
     */
    public void syncDbData() {
        System.out.println("db数据开始同步------------");
        try {
            //同步时间需要2秒
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("db数据开始同步完成------------");
    }

    //自增方法
    public synchronized void incr() {
        //start--临界区代码
        //同步库数据
        syncDbData();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            j++;
        }
        //end--临界区代码
    }

    //自增方法
    public void incrTwo() {
        //同步库数据
        syncDbData();
        synchronized (this) {
            //start--临界区代码
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                j++;
            }
            //end--临界区代码
        }

    }

    public int getJ() {
        return j;
    }

} 

为了探究Synchronized原理，我们对上面的代码进行反编译，输出反编译后结果，看看底层是如何实现的（环境Java 11、win 10系统）。

只截取了incr与incrTwo函数内容

public synchronized void incr();
    Code:
       0: aload_0                                         
       1: invokevirtual #11                 // Method syncDbData:()V 
       4: iconst_0                          
       5: istore_1                          
       6: iload_1                                     
       7: sipush        10000               
      10: if_icmpge     27
      13: getstatic     #12                 // Field j:I
      16: iconst_1
      17: iadd
      18: putstatic     #12                 // Field j:I
      21: iinc          1, 1
      24: goto          6
      27: return

  public void incrTwo();    
    Code:
       0: aload_0
       1: invokevirtual #11                 // Method syncDbData:()V
       4: aload_0
       5: dup
       6: astore_1
       7: monitorenter                     //获取锁
       8: iconst_0
       9: istore_2
      10: iload_2
      11: sipush        10000
      14: if_icmpge     31
      17: getstatic     #12                 // Field j:I
      20: iconst_1
      21: iadd
      22: putstatic     #12                 // Field j:I
      25: iinc          2, 1
      28: goto          10
      31: aload_1
      32: monitorexit                      //正常退出释放锁 
      33: goto          41
      36: astore_3
      37: aload_1
      38: monitorexit                      //异步退出释放锁    
      39: aload_3
      40: athrow
      41: return

先看incrTwo函数，incrTwo是代码块方式同步，在反编译后的结果中，我们发现存在monitorenter与monitorexit指令（获取锁、释放锁）。

monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置，monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置，J V M需要保证每一个 monitorenter都有monitorexit与之对应。

任何对象都有一个监视器锁（monitor C++写的 里面有2个核心属性：当前线程ID 、count ）关联，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权。

• 如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程为monitor的所有者
• 如果线程已经占有该monitor，重新进入，则monitor的进入数加1
• 线程执行monitorexit，monitor的进入数-1，执行过多少次monitorenter，最终要执行对应次数的monitorexit
• 如果其他线程已经占用monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权

回过头看incr函数，incr是普通函数方式同步，虽然在反编译后的结果中没有看到monitorenter与monitorexit指令，但是实际执行的流程与incrTwo函数一样，通过monitor来执行，只不过它是一种隐式的方式来实现，最后放一张流程图。

4.Synchronized优化

Jdk 1.5以后对Synchronized关键字做了各种的优化，经过优化后Synchronized已经变得原来越快了，这也是为什么官方建议使用Synchronized的原因，具体的优化点如下。

锁粗化
锁消除
锁升级

4.1.锁粗化

互斥的临界区范围应该尽可能小，这样做的目的是为了使同步的操作数量尽可能缩小，缩短阻塞时间，如果存在锁竞争，那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。

但是加锁解锁也需要消耗资源，如果存在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，锁粗化就是将「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，避免频繁的加锁解锁操作。

JVM会检测到一连串的操作都对同一个对象加锁（for循环10000次执行j++，没有锁粗化就要进行10000次加锁/解锁），此时J V M就会将加锁的范围粗化到这一连串操作的外部（比如for循环体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。

4.2.锁消除

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，经过逃逸分析（对象在函数中被使用，也可能被外部函数所引用，称为函数逃逸），去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的时间消耗。

代码中使用Object作为锁，但是Object对象的生命周期只在incrFour()函数中，并不会被其他线程所访问到，所以在J I T编译阶段就会被优化掉（此处的Object属于没有逃逸的对象）。

4.3.锁升级

Java中每个对象都拥有对象头，对象头由Mark World 、指向类的指针、以及数组长度三部分组成，本文，我们只需要关心Mark World 即可，Mark World 记录了对象的HashCode、分代年龄和锁标志位信息。

Mark Word（对象标记）用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等。Java对象头一般占有两个机器码(在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节， 也就是32bit)

锁状态	存储内容	锁标记
无锁	对象的hashCode、对象分代年龄、是否是偏向锁（0）	01
偏向锁	偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄、是否是偏向锁（1）	01
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针	00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针）	10

读者们只需知道，锁的升级变化，体现在锁对象的对象头Mark World部分，也就是说Mark World的内容会随着锁升级而改变。

Java1.5以后为了减少获取锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁，Synchronized的升级顺序是 「无锁–>偏向锁–>轻量级锁–>重量级锁，只会升级不会降级」

4.4.无锁

无锁是指没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

无锁的特点是修改操作会在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

4.5.锁偏向锁

偏向锁是指当一段同步代码一直被同一个线程所访问时，即不存在多个线程的竞争时，那么该线程在后续访问时便会自动获得锁，从而降低获取锁带来的消耗，即提高性能。

在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁，其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时，降低获取锁带来的消耗，提高性能（可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态）。

线程执行同步代码或方法前，线程只需要判断对象头的Mark Word中线程ID与当前线程ID是否一致，如果一致直接执行同步代码或方法，具体流程如下

• 无锁状态，存储内容「是否为偏向锁（0）」，锁标识位01
  • CAS设置当前线程ID到Mark Word存储内容中
  • 是否为偏向锁0 => 是否为偏向锁1
  • 执行同步代码或方法
• 偏向锁状态，存储内容「是否为偏向锁（1）、线程ID」，锁标识位01
  • 对比线程ID是否一致，如果一致执行同步代码或方法，否则进入下面的流程
  • 如果不一致，CAS将Mark Word的线程ID设置为当前线程ID，设置成功，执行同步代码或方法，否则进入下面的流程
  • CAS设置失败，证明存在多线程竞争情况，触发撤销偏向锁，当到达全局安全点，偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后在安全点的位置恢复继续往下执行。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在 Mark Word 里存储锁偏向的线程 ID。在线程进入和退出同步块时不再通过 CAS 操作来加锁和解锁，而是检测 Mark Word 里是否存储着指向当前线程的偏向锁。轻量级锁的获取及释放依赖多次 CAS 原子指令，而偏向锁只需要在置换 ThreadID 的时候依赖一次 CAS 原子指令即可。

偏向锁只有遇到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，线程是不会主动释放偏向锁的。

关于偏向锁的撤销，需要等待全局安全点，即在某个时间点上没有字节码正在执行时，它会先暂停拥有偏向锁的线程，然后判断锁对象是否处于被锁定状态。如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，并撤销偏向锁，恢复到无锁（标志位为01）或轻量级锁（标志位为00）的状态。

偏向锁在 JDK 6 及之后版本的 JVM 里是默认启用的。可以通过 JVM 参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

4.6.轻量级锁

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，持有锁时间也不长的场景。因为阻塞线程需要C P U从用户态转到内核态，代价较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失，所以干脆不阻塞这个线程，让它自旋一段时间等待锁释放。

当前线程持有的锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。轻量级锁的获取主要有两种情况：① 当关闭偏向锁功能时；② 多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁。

• 无锁状态，存储内容「是否为偏向锁（0）」，锁标识位01

  • 关闭偏向锁功能时

  • CAS设置当前线程栈中锁记录的指针到Mark Word存储内容

  • 锁标识位设置为00

  • 执行同步代码或方法

  • 释放锁时，还原来Mark Word内容

• 轻量级锁状态，存储内容「线程栈中锁记录的指针」，锁标识位00（存储内容的线程是指"持有轻量级锁的线程"）
  • CAS设置当前线程栈中锁记录的指针到Mark Word存储内容，设置成功获取轻量级锁，执行同步块代码或方法，否则执行下面的逻辑
  • 设置失败，证明多线程存在一定竞争，线程自旋上一步的操作，自旋一定次数后还是失败，轻量级锁升级为重量级锁
  • Mark Word存储内容替换成重量级锁指针，锁标记位10

4.7.重量级锁

轻量级锁膨胀之后，就升级为重量级锁，重量级锁是依赖操作系统的MutexLock（互斥锁）来实现的，需要从用户态转到内核态，这个成本非常高，这就是为什么Java1.6之前Synchronized效率低的原因。

升级为重量级锁时，锁标志位的状态值变为10，此时Mark Word中存储内容的是重量级锁的指针，等待锁的线程都会进入阻塞状态，下面是简化版的锁升级过程。

重量级锁是指当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，而其中 monitor 的本质是依赖于底层操作系统的 Mutex Lock 实现，操作系统实现线程之间的切换需要从用户态切换到内核态，切换成本非常高。

简言之，就是所有的控制权都交给了操作系统，由操作系统来负责线程间的调度和线程的状态变更。而这样会出现频繁地对线程运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，从而消耗大量的系统资源，导致性能低下。

5.整个锁升级的过程