Java架構師-深刻詳解Synchronized同步鎖的底層實現

談到多線程就不得不談到Synchronized，不少同窗只會使用，缺不是很明白整個Synchronized的底層實現原理，這也是面試常常被問到的環節,好比：

synchronized的底層實現原理

synchronized鎖與JVM的實現

synchronized鎖升級順序

synchronized鎖的優劣勢與應用場景

今天主要分享以上內容，詳解synchronized的底層實現，

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Synchronized synchronized 翻譯爲中文的意思是同步，也稱之爲」同步鎖「。

synchronized的做用是保證在同一時刻， 被修飾的代碼塊或方法只會有一個線程執行，以達到保證併發安全的效果。

Synchronized的使用

1.synchronized的3種使用方式

修飾實例方法：做用於當前實例加鎖

修飾靜態方法：做用於當前類對象加鎖

修飾代碼塊：指定加鎖對象，對給定對象加鎖

2.synchronized的代碼範例

Synchronized的底層實現

synchronized的底層實現是徹底依賴與JVM虛擬機的。

因此談synchronized的底層實現，就不得不談數據在JVM內存的存儲：Java對象頭，以及Monitor對象監視器。

1.Java對象頭

在JVM虛擬機中，對象在內存中的存儲佈局，能夠分爲三個區域:

對象頭(Header)

實例數據(Instance Data)

對齊填充(Padding)

Java對象頭主要包括兩部分數據：

類型指針（Mark Word）：是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機經過這個指針來肯定這個對象是哪一個類的實例;

標記字段(Klass Pointer)：用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等等,它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵.

2.Java鎖對象存儲位置

因此，很明顯synchronized使用的鎖對象是存儲在Java對象頭裏的標記字段裏。

3.Monitor

synchronized的對象鎖，其指針指向的是一個monitor對象（由C++實現）的起始地址。每一個對象實例都會有一個 monitor。

Monitor描述爲對象監視器,能夠類比爲一個特殊的房間，這個房間中有一些被保護的數據，Monitor保證每次只能有一個線程能進入這個房間進行訪問被保護的數據，進入房間即爲持有Monitor，退出房間即爲釋放Monitor。

使用syncrhoized加鎖的同步代碼塊在字節碼引擎中執行時，主要就是經過鎖對象的monitor的取用與釋放來實現的。

4.線程狀態流轉在Monitor上體現

描述爲對象監視器，當多個線程同時請求某個對象監視器時，對象監視器會設置幾種狀態用來區分請求的線程：

Contention List：全部請求鎖的線程將被首先放置到該競爭隊列

Entry List：Contention List中那些有資格成爲候選人的線程被移到Entry List

Wait Set：那些調用wait方法被阻塞的線程被放置到Wait Set

OnDeck：任什麼時候刻最多隻能有一個線程正在競爭鎖，該線程稱爲OnDeck

Owner：得到鎖的線程稱爲Owner

!Owner：釋放鎖的線程

下圖反映了個狀態轉換關係

Synchronized 鎖的升級順序

鎖解決了數據的安全性，可是一樣帶來了性能的降低。hotspot 虛擬機的做者通過調查發現，大部分狀況下，加鎖的代碼不只僅不存在多線程競爭，並且老是由同一個線程屢次得到。因此基於這樣一個機率。

synchronized 在JDK1.6 以後作了一些優化，爲了減小得到鎖和釋放鎖來的性能開銷，引入了偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖、重量級鎖，鎖的狀態根據競爭激烈的程度從低到高不斷升級。

1.偏向鎖

偏向鎖是JDK6中引入的一項鎖優化，大多數狀況下，鎖不只不存在多線程競爭，並且老是由同一線程屢次得到，爲了讓線程得到鎖的代價更低而引入了偏向鎖。

偏向鎖會偏向於第一個得到它的線程，若是在接下來的執行過程當中，該鎖沒有被其餘的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠不須要同步。

2.輕量級鎖

若是明顯存在其它線程申請鎖，那麼偏向鎖將很快升級爲輕量級鎖。

3.自旋鎖

自旋鎖原理很是簡單，若是持有鎖的線程能在很短期內釋放鎖資源，那麼那些等待競爭鎖的線程就不須要作內核態和用戶態之間的切換進入阻塞掛起狀態，它們只須要等一等（自旋），等持有鎖的線程釋放鎖後便可當即獲取鎖，這樣就避免用戶線程和內核的切換的消耗。

4.重量級鎖

指的是原始的Synchronized的實現，重量級鎖的特色：其餘線程試圖獲取鎖時，都會被阻塞，只有持有鎖的線程釋放鎖以後纔會喚醒這些線程。

小編最近將收集的Java程序員進階架構師的資料作了一些整理（以下圖），免費分享給每一位學習Java的朋友。須要的能夠進羣：529722406

偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖優劣勢比較