Synchronized 實現原理

​記得剛剛開始學習Java的時候，一遇到多線程狀況就是synchronized。對於當時的咱們來講，synchronized是如此的神奇且強大。咱們賦予它一個名字「同步」，也成爲咱們解決多線程狀況的良藥，百試不爽。可是，隨着學習的深刻，咱們知道synchronized是一個重量級鎖，相對於Lock，它會顯得那麼笨重，以致於咱們認爲它不是那麼的高效。隨着Javs SE 1.6對synchronized進行各類優化後，synchronized不會顯得那麼重。

synchronized能夠保證方法或者代碼塊在運行時，同一時刻只有一個方法進入臨界區，同時還能夠保證共享變量的內存可見性。

一、實現原理

Java中的每個對象均可以做爲鎖，這是synchronized實現同步的基礎：

• 普通同步方法，鎖是當前實例對象。
• 靜態同步方法，鎖時當前類的Class對象。
• 同步代碼塊，鎖是synchronized括號裏配置的對象。
  當一個線程訪問同步代碼塊時，必須先得到鎖才能執行同步代碼，當退出或者跑出異常時必須釋放鎖。咱們會疑惑鎖到底存在哪裏？鎖裏面又會保存什麼信息？

JVM規範定義：JVM基於進入與退出Monitor對象與來實現方法同步和代碼塊同步：

• 代碼塊同步：使用monitorenter和monitorexit指令實現。
• 方法同步：使用另一種方式，可是一樣是使用這兩個指令實現。只是具體表現形式有所不一樣

public class SynchronizedTest {
    public synchronized void test1() {
    }

    public void test2() {
        synchronized (this) {
        }
    }
}
複製代碼

使用javap -verbose SynchronizedTest.class工具查看生成的class文件信息分析synchronized實現：

省略部分代碼，以下所示：

{
  public com.zero.test.SynchronizedTest();
   .....

  public synchronized void test1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0

  public void test2();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: aload_1
         5: monitorexit
         6: goto          14
         9: astore_2
        10: aload_1
        11: monitorexit
        12: aload_2
        13: athrow
        14: return
    
    ......
}

複製代碼

從上面能夠看出同步代碼塊使用monitorenter和monitorexit指令實現的，同步方法使用方法修飾符上的ACCSYNCHRONIZED實現。不管哪種方式，其本質都是一個對象的監視器(monitor)進行獲取。

在咱們繼續分析深刻以前，要先了解兩個概念：Java對象頭、Monitor。

1.一、 Java對象頭

synchronized用的鎖是存在Java對象頭裏的，Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）。其中Klass Point是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，Mark Word用於存儲對象自身的運行時數據，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。

Mark Word

Java對象頭裏的Mark Word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。Java對象頭通常佔有兩個機器碼（在32位虛擬機中，1個機器碼等於4字節，也就是32bit），可是若是對象是數組類型，則須要三個機器碼，由於JVM虛擬機能夠經過Java對象的元數據信息肯定Java對象的大小，可是沒法從數組的元數據來確認數組的大小，因此用一塊來記錄數組長度。，32位 JVM 的Mark Word的默認存儲結構以下表格：

鎖狀態	25bit	4bit	1bit是不是偏向鎖	2bit鎖標誌位
無鎖狀態	對象的hashCode	對象的分代年齡	0	01

在運行期間，Mark Word裏存儲的數據隨着鎖標誌位的變化而變化

Monitor

咱們能夠把它理解爲一個同步工具，也能夠描述爲一種同步機制，它一般被描述爲一個對象。

與一切皆對象同樣，全部的Java對象是天生的Monitor，每個Java對象都有成爲Monitor的潛質，由於在Java的設計中 ，每個Java對象自打孃胎裏出來就帶了一把看不見的鎖，它叫作內部鎖或者Monitor鎖。

二、synchronize性能優化

咱們知道synchronized是重量級鎖，效率不怎麼滴，同時這個觀念也一直存在咱們腦海裏，不過在JDK 1.6中對synchronize的實現進行了各類優化，使得它顯得不是那麼重了，那有哪些優化手段？

2.一、 鎖優化

JDK1.6對鎖的實現引入了大量的優化，如自旋鎖、適應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級鎖等技術來減小鎖操做的開銷。

鎖主要存在四中狀態，依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態、重量級鎖狀態。他們會隨着競爭的激烈而逐漸升級。注意鎖能夠升級不可降級，這種策略是爲了提升得到鎖和釋放鎖的效率。

2.1.一、 自旋鎖

線程的阻塞和喚醒須要CPU從用戶態轉爲核心態，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來講是一件負擔很重的工做，勢必會給系統的併發性能帶來很大的壓力。同時咱們發如今許多應用上面，對象鎖的鎖狀態只會持續很短一段時間，爲了這一段很短的時間頻繁地阻塞和喚醒線程是很是不值得的。

何謂自旋鎖？

所謂自旋鎖，就是讓該線程等待一段時間，不會被當即掛起，看持有鎖的線程是否會很快釋放鎖。

2.1.二、 適應自旋鎖

JDK 1.6引入了更加聰明的自旋鎖，即自適應自旋鎖。所謂自適應就意味着自旋的次數再也不是固定的，它是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。

它怎麼作呢？

線程若是自旋成功了，那麼下次自旋的次數會更加多，由於虛擬機認爲既然上次成功了，那麼這次自旋也頗有可能會再次成功，那麼它就會容許自旋等待持續的次數更多。反之，若是對於某個鎖，不多有自旋可以成功的，那麼在之後要或者這個鎖的時候自旋的次數會減小甚至省略掉自旋過程，以避免浪費處理器資源。有了自適應自旋鎖，隨着程序運行和性能監控信息的不斷完善，虛擬機對程序鎖的情況預測會愈來愈準確，虛擬機會變得愈來愈聰明。

2.1.三、 鎖消除

爲了保證數據的完整性，咱們在進行操做時須要對這部分操做進行同步控制，可是在有些狀況下，JVM檢測到不可能存在共享數據競爭，這是JVM會對這些同步鎖進行鎖消除。鎖消除的依據是逃逸分析的數據支持。

咱們在使用一些JDK的內置API時，如StringBuffer、Vector、HashTable等，這個時候會存在隱形的加鎖操做。

好比StringBuffer的append()方法，Vector的add()方法：

public void vectorTest(){
    Vector<String> vector = new Vector<String>();
    for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
        vector.add(i + "");
    }
    System.out.println(vector);
}
複製代碼

在運行這段代碼時，JVM能夠明顯檢測到變量vector沒有逃逸出方法vectorTest()以外，因此JVM能夠大膽地將vector內部的加鎖操做消除。

2.1.四、鎖粗化

咱們知道在使用同步鎖的時候，須要讓同步塊的做用範圍儘量小，僅在共享數據的實際做用域中才進行同步。這樣作的目的是爲了使須要同步的操做數量儘量縮小，若是存在鎖競爭，那麼等待鎖的線程也能儘快拿到鎖。 在大多數的狀況下，上述觀點是正確的。可是若是一系列的連續加鎖解鎖操做，可能會致使沒必要要的性能損耗，因此引入鎖粗化的概念。

那什麼是鎖粗化？

就是將多個連續的加鎖、解鎖操做鏈接在一塊兒，擴展成一個範圍更大的鎖。

如上面實例：vector每次add的時候都須要加鎖操做，JVM檢測到對同一個對象（vector）連續加鎖、解鎖操做，會合並一個更大範圍的加鎖、解鎖操做，即加鎖解鎖操做會移到for循環以外。

2.1.五、偏向鎖

引入偏向鎖主要目的是：爲了在無多線程競爭的狀況下儘可能減小沒必要要的輕量級鎖執行路徑。輕量級鎖的加鎖解鎖操做是須要依賴屢次CAS原子指令的。那麼偏向鎖是如何來減小沒必要要的CAS操做呢？咱們能夠查看Mark work的結構就明白了。其實只要簡單的測試下對象頭的Mark Word裏是否存儲着指向當前線程的偏向鎖。若是測試成功，表示線程已經得到了鎖。若是測試失敗：則須要再測試下偏向鎖標識是否設置成1（表示當前是偏向鎖），若是沒有設置，那麼只能使用CAS競爭鎖了，若是設置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程。

流程以下：

1. 檢測Mark Word是否爲可偏向狀態，便是否爲偏向鎖1，鎖標識位爲01；
2. 若爲可偏向狀態，則測試線程ID是否爲當前線程ID，若是是，則執行步驟（5），不然執行步驟（3）；
3. 若是線程ID不爲當前線程ID，則經過CAS操做競爭鎖，競爭成功，則將Mark Word的線程ID替換爲當前線程ID，不然執行線程（4）；
4. 經過CAS競爭鎖失敗，證實當前存在多線程競爭狀況，當到達全局安全點，得到偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級爲輕量級鎖，而後被阻塞在安全點的線程繼續往下執行同步代碼塊；
5. 執行同步代碼塊。

釋放鎖偏向鎖的釋放採用了一種只有競爭纔會釋放鎖的機制，線程是不會主動去釋放偏向鎖，須要等待其餘線程來競爭。偏向鎖的撤銷須要等待全局安全點（這個時間點是沒有正在執行的代碼）。

其步驟以下：

1. 暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對象石是否還處於被鎖定狀態；
2. 撤銷偏向鎖，恢復到無鎖狀態（01）或者輕量級鎖的狀態。

2.1.六、輕量級鎖

引入輕量級鎖的主要目的是在只有少許線程競爭的前提下，減小傳統的重量級鎖使用操做系統互斥量產生的性能消耗。

當關閉偏向鎖功能或者多個線程競爭偏向鎖致使偏向鎖升級爲輕量級鎖，則會嘗試獲取輕量級鎖，其步驟以下：

1. 判斷當前對象是否處於無鎖狀態（hashcode、0、01），如果，則JVM首先將在當前線程的棧幀中創建一個名爲鎖記錄（Lock Record）的空間，用於存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個Displaced前綴，即Displaced Mark Word）；不然執行步驟（3）；
2. JVM利用CAS操做嘗試將對象的Mark Word更新爲指向Lock Record的指針，若是成功表示競爭到鎖，則將鎖標誌位變成00（表示此對象處於輕量級鎖狀態），執行同步操做；若是失敗則執行步驟（3）；
3. 判斷當前對象的Mark Word是否指向當前線程的棧幀，若是是則表示當前線程已經持有當前對象的鎖，則直接執行同步代碼塊；不然只能說明該鎖對象已經被其餘線程搶佔了，這時輕量級鎖須要膨脹爲重量級鎖，鎖標誌位變成10，後面等待的線程將會進入阻塞狀態；

釋放鎖輕量級鎖的釋放也是經過CAS操做來進行的，主要步驟以下：

1. 取出在獲取輕量級鎖保存在Displaced Mark Word中的數據；
2. 用CAS操做將取出的數據替換當前對象的Mark Word中，若是成功，則說明釋放鎖成功，不然執行（3）；
3. 若是CAS操做替換失敗，說明有其餘線程嘗試獲取該鎖，則須要在釋放鎖的同時須要喚醒被掛起的線程。

2.1.七、重量級鎖

重量級鎖經過對象內部的監視器（monitor）實現，其中monitor的本質是依賴於底層操做系統的Mutex Lock實現，操做系統實現線程之間的切換須要從用戶態到內核態的切換，切換成本很是高。

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三、 鎖的對比

下面對偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖進行比較：

表3 各類鎖的優缺點及適用場景

鎖	優勢	缺點	適用場景
偏向鎖	加鎖和解鎖不須要額外的消耗，與執行非同步方法僅存在納秒級的差距	若是線程間存在競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗	適用於只有一個線程訪問同步塊的狀況
輕量級鎖	競爭的線程不會堵塞，提升了程序的響應速度	始終得不到鎖的線程，使用自旋會消耗CPU	追求響應時間，同步塊執行速度很是塊，只有兩個線程競爭鎖
重量級鎖	線程競爭不使用自旋，不會消耗CPU	線程堵塞，響應時間緩慢	追求吞吐量，同步塊執行速度比較慢，競爭鎖的線程大於2個

表格來源：《Java併發編程的藝術》第16頁

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參考資料：

1. 周志明：《深刻理解Java虛擬機》
2. 方騰飛：《Java併發編程的藝術》

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