synchronized 的原理及应用

概述

在之前的一篇文章《"Java 内存模型及其原理" 》这篇文章中，曾经介绍过 synchronized 关键字的作用，解决的是多个线程之间访问资源的同步性，保证被 synchronized 修饰的代码具有原子性。因而在本篇文章将会深入了解 synchronized 的使用方式以及原理。

使用

synchronized 的使用方法主要有如下三种：

修饰实例方法

作用：对当前实例对象加锁，进入同步代码前要获取当前实例对象的锁。

synchronized void method() {
  //业务代码
}

结合"Java 内存模型及其原理"中"缓存导致可见性问题"中的实例代码:

public class Test {
  private static long count = 0;
  private void add10K() {
    int idx = 0;
    while(idx++ < 10000) {
      count += 1;
    }
  }
  public static long calc() throws InterruptedException {
    final Test test = new Test();
    // 创建两个线程，执行add()操作
    Thread th1 = new Thread(()->{
      test.add10K();
    });
    Thread th2 = new Thread(()->{
      test.add10K();
    });
    // 启动两个线程
    th1.start();
    th2.start();
    // 等待两个线程执行结束
    th1.join();
    th2.join();
    return count;
  }
  
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	System.out.println(calc());
  }
}

在《"Java 内存模型及其原理"》这篇文章中我们讲了，上述代码最后执行的结果是处于 10000 到 20000 之间的一个数字，但通过 synchronized 关键字对 add10K() 进行修饰后：

package thread;

public class Test {
  private static long count = 0;
  //使用synchronized关键字修饰add10K
  private synchronized void add10K() {
    int idx = 0;
    while(idx++ < 10000) {
      count += 1;
    }
  }
  public static long calc() throws InterruptedException {
    final Test test = new Test();
    // 创建两个线程，执行add()操作
    Thread th1 = new Thread(()->{
      test.add10K();
    });
    Thread th2 = new Thread(()->{
      test.add10K();
    });
    // 启动两个线程
    th1.start();
    th2.start();
    // 等待两个线程执行结束
    th1.join();
    th2.join();
    return count;
  }
  
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	System.out.println(calc());
  }
}

从概念角度上，我们很容易理解，在加入 synchronized 之后只有一个线程能够进入方法 add10K()中，其他方法会在该位置阻塞，因而最终执行结果一定是正确的，最终的执行结果一定是 20000。

但从原理层面上讲，增加了 synchronized 到底发生了什么 ❓ ❓

add10K() 被 synchronized 修饰后发生了什么？？

要解决这个问题，我们首先需要从 JVM 角度，上述代码经过 synchronized 修饰后发生了什么变化。

执行 javap -c -s -v -l .\Test.class 生成 Test 类对应的字节码文件如下(仅仅节选了 add10K()方法部分)：

经过 synchronized 修饰的方法会增加增加一个 ACC_SYNCHRONIZED 标识，该标识会指明该方法是一个同步方法。当 JVM 在执行有 ACC_SYNCHRONIZED 标识的同步方法时， 会按照同步的策略进行调用。

当然除了直接修饰方法外，synchronized 也可以用来修饰代码块。

修饰静态方法

作用：给当前所有类加锁，会作用于当前所有类的实例对象，进入同步代码前要获取当前 Class 的锁。

synchronized static void method() {
//业务代码
}

由于 synchronized 静态方法和 synchronized 实例方法加锁的是不同的对象，因而对于两个不同的线程可以一个执行 synchronized 修饰的静态方法，一个执行 synchronized 修饰的实例方法，两者不会发生互斥。

我们还是一一段简单的代码为例

public static synchronized int add() {
	  int count = 0;
	  while(count <= 10000) {
		  count += 1;
	  }
	  return count;
  }

同样的 add()方法在经过 synchronized 修饰之后，可以保证是线程安全的。

从 jvm 层面看，增加了 synchronized 到底发生了什么？？

静态 add()被 synchronized` 修饰后发生了什么？？

执行 javap -c -s -v -l .\Test.class 生成 Test 类对应的字节码文件如下(仅仅节选了 add() 方法部分)：

很明显，和前面修饰实例方法一样，经过 synchronized 修饰的方法会增加一个 ACC_SYNCHRONIZED 标识，在 JVM 层面上，保证 add() 方法的同步调用。

修饰代码块

作用：指定加锁对象，对给定对象/类加锁。synchronized(this|object) 表示进入同步代码库前要获得给定对象的锁 。synchronized(类.class) 表示进入同步代码前要获得 当前 class 的锁。

synchronized(this) {
  //业务代码
}
或者
//加类锁
synchronized(Test.class) {
  //业务代码
}

同样通过 synchronized 修饰代码块，我们也可以解决前边 add10K() 存在的线程安全问题：

 public void add10K() {
    int idx = 0;
    synchronized (this) {
        while(idx++ < 10000) {
            count += 1;
        }
     }
  }

从概念上讲，通过 synchronized 修饰 while 循环之后，整个 while 循环的加法操作就相当于是一个原子操作，只有获取到 Test 对象锁的线程才能进入执行，其他线程会被阻塞，最终执行结果必然相当于执行两边的加法操作，最终结果必然就是 20000 喽。

同样的，从 jvm 层面看，它有发生了什么呢？

被 synchronized 修饰的代码块发生了什么？

同样的我们执行 javap -c -s -v -l .\Test.class 生成 Test 类对应的字节码文件如下(仅仅节选了 add10K()方法部分)：

我们可以看到，synchronized 修饰的代码块和修饰方法时，作用的机理是不同的（其实也非常容易理解，因为修饰的代码块，没法用标识符来进行标识，只能通过插入指令的形式来实现同步）：

通过 synchronized 修饰的代码块中会增加两条指令 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。（ 当然我们例子中由于 synchronized 修饰的是 while 语句块，可能存在判断分支，因而插入了两条 monitorexit 来保证在每种分支条件下都能正确执行。）

那这两条指令有什么用呢？

简单来说，当执行 monitorenter 时，会尝试获取对象的锁，如果锁的计数器为 0 则表示锁可以被获取，获取后将锁计数器设为 1 也就是加 1。

在执行 monitorexit 指令后，将锁计数器设为 0，表明锁被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。

扩展：Java6 及以上版本对 synchronized 的优化

我们再深入思考下，synchronized 在加锁和解锁的过程中发生了什么呢 ❓ ❓

这个问题，比较复杂，在 Java6 之前，synchronized 由于所用的锁都是重量级锁，效率较极低，因而为了提高 synchronized 的效率，引入了适应性自旋、锁消除、偏向锁、轻量级锁、重量级锁等措施来对 synchronized 进行优化。

从对象头的 Mark Word 说起

我们知道，其实加锁的本质实际上加锁的对象头写入当前线程的 id。 而实际写入的位置就是在对象的 Mark word 部分，而实际填写的方式就是通过 CAS 来实现的。

Mark Word 用于存储对象自身运行时的数据，如 HashCode，GC 分代年龄，锁状态标志，线程持有的锁，偏向线程 ID 等等，占用的空间大小与虚拟机位长一致（32 位 JVM -> MarkWord 是 32 位，64 位 JVM->Mark Word 是 64 位）。

Mark Word 会用不同的标记来标识不同的对象状态（比如未被加锁、轻量级锁、重量级锁等状态）：

此时可能会有小伙伴会有疑问了：不同级别的锁时如何转换的呢？

这就涉及到了锁的升级。

锁的升级

为了便于理解，我们设想一种场景来模拟锁的升级过程，整个过程如下图所示：

该开始的时候只有一个线程 T1 运行，此时 T1 进入同步代码块时：

• 首先会进行逃逸分析，如果堆上的数据不会逃逸被其他线程访问到，那么就可以认为它是栈上的数据，是线程安全的，就会转而进行 锁消除 操作，忽略所有同步措施直接运行。

如果有数据逃逸的情况发生，此时就会进入偏向锁状态，当有其他线程如 T2 竞争同步代码时，此时偏向锁会失效，转而升级为轻量级锁。当然在处于偏向锁状态的对象，在收到计算唯一性哈希码请求（执行 hashCode()方法）时，会直接膨胀为重量级锁。

当然轻量级锁也不是最终的锁状态，如果有超过两个线程比如又加入第三个线程 T3 来竞争同步资源，锁就会膨胀，最终就会变成重量级锁。

上边的整个过程，就是锁的升级过程，上面提到了好几种类型的锁，直接看有些迷糊，因此下边，我们按照不同锁的类型，来解决不同锁的加锁解锁的过程，已经应用的时机。
首先，我们先讲解一下，锁消除 的过程。

锁消除

什么叫做 锁消除 呢？

首先用一下专业术语来解释一下：

锁消除就是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码要求同步，但对被检测到的不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

用大白话解释，锁消除 就是说把“锁去掉”，但我们不可能见到一个锁就把它给“去掉”，这加锁就没有任何意义了，因而了解 锁消除 的场景和时机就极为重要了，我们只能在运行期间，把那些不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

如何判断线程是否具有共享数据竞争呢？？

这就需要 逃逸分析 技术做支持喽，在进行逃逸分析后如果发现，如果堆上的数据都不会逃逸被其他线程访问到，那么就可以把它们当做栈上数据对待，认为它们是线程私有的，同步加锁自然无需再进行。

当然，如果进行 逃逸分析 之后，发现确实存在数据逃逸问题，此时就需要加锁。

偏向锁

什么是偏向锁呢？

简单来说，这个锁会偏向第一个获取它的线程，如果在接下来的执行过程，该锁一直没有被其他锁获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步，也就是说 偏向锁 不需要解锁，因而偏向锁的效率极高。

为什么要这样做呢? 因为经验表明, 其实大部分情况下, 都会是同一个线程进入同一块同步代码块的，这也是为什么会有偏向锁出现的原因。

在 Jdk1.6 中, 偏向锁的开关是默认开启的, 适用于只有一个线程访问同步块的场景。

加锁：

对象从无锁到获取到偏向锁再到重入锁整个过程，如下图所示：

当一个对象处于无锁状态时，它的偏向锁标志为 0，标志位为 01，hashcode 为空（计算过 hashCode 的对象无法进入偏向模式）。

当锁对象第一次被线程获取的时候，虚拟机会把对象头的偏向模式设置为 1，表示进入偏向模式，同时会通过 CAS 操作获取到这个锁的线程 ID 并记录到 Mark Word 中。如果操作成功，持有偏向锁的线程以后进入这个锁相关的同步块时，只需要比较偏向锁中的线程 ID 是否和当前 ID 一致即可，如果相同的话，就不再需要任何同步操作，直接执行同步代码。

偏向锁的撤销时机：

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制, 所以当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。

另一点，由于当时使用偏向锁时，Mark Word 的大部分空间都用来存储持有锁的线程 ID 了，因而当某个对象处于偏向锁模式，又收到需要计算其一致性哈希码请求时，偏向锁会立即撤销，并膨胀为重量级锁。同时已经计算过一致性哈希码的对象无法进入偏向模式。

具体撤销过程如下：

偏向锁的撤销需要等到全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码). 首先会暂停持有偏向锁的线程, 然后检查持有偏向锁的线程是否存活, 如果线程不处于活动状态, 则将锁对象的对象头设置为无锁状态; 如果线程仍然活着, 则锁对象的对象头中的 MarkWord 和栈中的锁记录要么重新偏向于其它线程要么恢复到无锁状态, 最后唤醒暂停的线程(释放偏向锁的线程)。

轻量级锁

当出现有两个线程来竞争锁的话, 那么偏向锁就失效了, 此时锁就会膨胀, 升级为轻量级锁。

加锁：

从偏向锁或者无锁状态转成轻量级锁的过程如下：

在代码进入同步块时，如果此同步对象没有被锁定，虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立起一个名为 锁记录（Lock record）的空间，用于存储当前 Mark Word 的拷贝（以 Displaced 为前缀），然后虚拟机将尝试通过 CAS 操作把对象的 Mark Word 转变为 00，表示此对象处于轻量级锁定状态中。如果更新失败，则说明存在一条线程与当前线程竞争，此时虚拟机会首先检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，直接重入，进入同步代码块直接执行；否则，说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。

当有出现两条以上的线程争用同一个锁的情况，那轻量级锁就不再有效，会膨胀为重量级锁。

解锁：

轻量级锁解锁时, 会使用原子的 CAS 操作将当前线程的锁记录替换回到对象头, 如果成功, 表示没有竞争发生; 如果失败, 表示当前锁存在竞争, 锁就会膨胀成重量级锁。

重量级锁

重量级锁的实现就比较复杂，需要借助前边介绍的 monitorenter 和 monitorexit 指令，当加锁时，线程会尝试获取加锁对象的 monitor（每一个对象都内置了一个 monitor 对象，由 C++ 实现），获取成功后开始执行同步代码，获取失败进入同步队列，当执行到 monitorexit 指令时，释放对象锁，并唤醒同步队列中的阻塞线程。整个执行逻辑如下图所示：

锁的小结

最后，简单总结一下锁优缺点：

总结

本篇文章主要讲了 synchronized 的三个应用方式：修饰实例方法、修饰静态方法、修饰代码块，并且针对每种方式都从 JVM 角度讲解了其实现的底层原理。在扩展部分则详细讲解了 Java6 对 synchronized 的优化措施，以及底层的原理。

参考

1. 《深入理解 JVM 虚拟机》
2. 《Java 并发实战》
3. 《Java 并发编程实战》
4. Java6 及以上版本对 synchronized 的优化