彻底理解Java并发：synchronized关键字

小咪咪 2023-09-23 12:58 140阅读 0赞

> 本篇内容包括：Synchronized 关键字简介、synchronized 的修饰对象、对象的内存布局（64位）、Synchronized 锁升级过程等内容。

## 一、Synchronized 关键字简介 ##

Synchronize 翻译成中文：同步，使同步。synchronized：已同步。synchronized 能够保证同一时刻最多只有一个线程执行该段代码，以达到并发安全的效果。也就是说 Synchronized 在某个线程将资源锁住了之后，其他线程只有在当前线程使用完成后，才可以接着使用。

synchronized 是 Java 中解决并发问题的一种最常用也最简单的一种方法。synchronized 的作用主要有三个：

1.  原子性：确保线程互斥的访问同步代码；
2.  可见性：保证共享变量的修改能够及时可见（其实是通过 Java 内存模型中的 “对一个变量 unlock 操作之前，必须要同步到主内存中；如果对一个变量进行 lock 操作，则将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用此变量前，需要重新从主内存中 load 操作或 assign 操作初始化变量值” 来保证的）
3.  有序性：有效解决重排序问题，即 “一个 unlock 操作先行发生（happen-before）于后面对同一个锁的 lock 操作”。

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## 二、synchronized 的修饰对象 ##

synchronized 可以修饰普通方法，静态方法和代码块。 当synchronized修饰一个方法或者一个代码块的时候，它能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码。

#### 1、synchronized 修饰静态方法，当前类的 Class 对象（类） ####

我们知道，静态方法实际不属于类的任何一个对象实例，它是直属于“类”的。如果在静态方法上加上 Synchronized 关键字，那么它锁住的就是这个类

#### 2、synchronized 修饰实例方法，锁是当前实例对象（对象） ####

普通方法并不是这个类独有的：创建多少个对象实例，这个方法就会有多少个。那么当 Synchronized 关键字修饰类的普通方法时，它锁住的就是这个类的对象实例

#### 3、synchronized 修饰代码块，锁是 Synchonized 括号里配置的对象 ####

同步代码块锁主要是对代码块进行加锁，此时同一时刻只能有一个线程获取到该资源，要注意每一把锁只负责当前的代码块，其他的代码块不管

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## 三、对象的内存布局（64位） ##

因为 Synchronized 都是对对象进行加锁，那我们在了解它的底层实现原理之前，应该了解一下Java对象在内存中的布局，这样比较有利于我们理解，对于一个普通对象来说，它分为四个部分：

*  mark-word：是整个对象内存布局的重中之重，因为它里面存储了很多非常重要的信息，它共占8个字节，存储了对象的hashcode\*\*、**锁信息**、\*\*分代年龄和GC标志信息，它与class pointer共同称之为对象头；
 *  class pointer：存储的是该对象的class文件地址，换句话说，就是可以通过 class pointer 知道，这是哪个类的对象；
 *  instance data：存放的一般是类中的变量数；
 *  padding data：不一定会用到，它最主要的作用就是保证整个对象所占的字节可以被8字节整除，这样做的目的其实是为了提高读取的效率。

## ![v2-829abc283e594d523908c6430de51ed1\_r][v2-829abc283e594d523908c6430de51ed1_r] ##

## 四、Synchronized 锁升级过程 ##

synchronized锁有四种状态，无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。锁可以升级但不能降级，但是偏向锁状态可以被重置为无锁状态

jdk1.6之前都是重量级锁，大多数时候是不存在锁竞争的，如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，才引入锁升级。

#### 1、偏向锁 ####

（线程1）获取锁对象时，会在 Java 对象头和栈帧中记录偏向的锁的 ThreadID，下一次，线程获取该锁时会比较 ThreadID 是否一致：

*  一致（线程1） --> 直接进入而无需使用 CAS 来加锁、解锁；
 *  不一致（线程2） --> 检查对象的 ThreadID 线程是否还存活：
    
     *  如果存活 --> 代表该对象被多个线程竞争，于是升级成轻量级锁；
     *  否则不存活 --> 将锁重置为无锁状态，锁头重新标记线程为新的 ThreadID（抢占偏向锁失败的线程会触发锁膨胀至轻量级锁）。

如果线程1和线程2的执行时间刚好错开，那么锁只会在偏向锁之间切换而不会升级为轻量级锁，在使用Synchronized的情况下避开了获取锁的成本，所以效率和无锁状态非常接近

#### 2、轻量级锁 ####

对象被多个线程竞争（或关闭偏向锁功能）时，锁由偏向锁升级为轻量级锁，其他线程会通过 CAS + 自旋 的形式尝试获取锁（JDK 1.7 之前是普通自旋，会设定一个最大的自旋次数，默认是 10 次，超过这个阈值就停止自旋。JDK 1.7 之后，引入了适应性自旋。简单来说就是：这次自旋获取到锁了，自旋的次数就会增加;这次自旋没拿到锁，自旋的次数就会减少。）

1.  膨胀成轻量级锁以后，如果后续的线程是在持有锁的线程执行结束后来抢锁，拿到的依然是轻量级锁。因为释放轻量级锁会恢复成无锁。
2.  膨胀成轻量级锁以后，如果后续的线程是在持有锁的线程执行结束前来抢锁，就会触发膨胀成重量级。

轻量级锁获取过程：

在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态，轻量级锁会构造一个Lock Record锁记录，用于存储锁对象目前的 Mark-Word 的拷贝

> Lock Record是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用Lock 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Mark Word都会和一个Lock Record关联（对象头的MarkWord中的Lock Word指向Lock Record的起始地址），同时Lock Record中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识（或者`object mark word`），表示该锁被这个线程占用。

拷贝成功后，虚拟机将使用 CAS 尝试将对象头的 MarkWord 的 Lock-Word（锁记录指针） 指向当前线程 Lock Record 的起始地址，并将 Lock Record 的 owner 指向对象的 Mark-Word：

*  如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象 Mark-Word 的锁标志位状态设置为 `00`，表示此对象处于轻量级锁定状态。
 *  如果这个更新动作失败了，虚拟机首先会检查对象的 Lock-Word（锁记录指针） 是否指向当前线程的 Lock Record，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁，锁升级为重量级。

#### 3、重量级锁 ####

当线程的自旋后依然没获取到锁或者判定多个线程竞争锁时，为避免CPU无端耗费，锁由轻量级锁升级为重量级锁。

升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为 `10`，此时 MarkWord 的 Lock-Word 指向重量级锁的指针，获取锁的同时会阻塞其他正在竞争该锁的线程，依赖对象内部的监视器（monitor）实现，monitor 又依赖操作系统底层，需要从用户态切换到内核态，成本非常高。

> Synchronized 中对 monitor 锁的实现有用到两个指令： monitorenter 和 monitorexit （可通过 javap -verbose XXX.class 反汇编查看）。
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> 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，可以把执行 monitorenter 理解为加锁，执行 monitorexit 理解为释放锁，每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为 0。
> 
> monitorenter：执行 monitorenter 的线程尝试获得 monitor 的所有权，会发生以下这三种情况之一：
> 
> 1.  如果该 monitor 的计数为 0，则线程获得该 monitor 并将其计数设置为 1。然后，该线程就是这个 monitor 的所有者。
> 2.  如果线程已经拥有了这个 monitor ，则它将重新进入，并且累加计数。
> 3.  如果其他线程已经拥有了这个 monitor，那个这个线程就会被阻塞，直到这个 monitor 的计数变成为 0，代表这个 monitor 已经被释放了，于是当前这个线程就会再次尝试获取这个 monitor。
> 
> monitorexit：monitorexit 的作用是将 monitor 的计数器减 1，直到减为 0 为止。代表这个 monitor 已经被释放了，已经没有任何线程拥有它了，也就代表着解锁，所以，其他正在等待这个 monitor 的线程，此时便可以再次尝试获取这个 monitor 的所有权
> 
> 再底层的，monitor又依赖操作系统的 MutexLock（互斥锁）来实现的，所以重量级锁也被称为互斥锁。（Mutex 在 Windows 和 Linux中的实现有着显著的区别）

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