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在多線程環(huán)境中，鎖的使用是避免不了的，使用鎖時(shí)候有多種鎖供我們選擇，比如 ReentrantLock、CountDownLatch等等，但是作為 Java 開發(fā)者來說，剛剛接觸多線程的時(shí)候，最早接觸和使用的恐怕非 synchronized莫屬了。那你真的了解synchronized嗎，今天我們就從以下幾個(gè)方面徹底搞懂 synchronized。

首先有一點(diǎn)要說明一下，各位可能或多或少都聽過這樣的說法：“synchronized 的性能不行，比顯式鎖差很多，開發(fā)中還是要慎用。”

大可不必有這樣的顧慮，要說在 JDK 1.6 之前，synchronized 的性能確實(shí)有點(diǎn)差，但是 JDK 1.6 之后，JDK 開發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)持續(xù)對(duì) synchronized 做了性能優(yōu)化，其性能已經(jīng)與其他顯式鎖基本沒有差距了。所以，在考慮是不是使用 synchronized的時(shí)候，只需要根據(jù)場(chǎng)景是否合適來決定，性能問題不用作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

使用方法synchronized 是一個(gè)關(guān)鍵字，它的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是使用簡(jiǎn)單，一個(gè)關(guān)鍵字搞定。它可以在一個(gè)方法上使用，也可以在一個(gè)方法中的某些代碼塊上使用，非常方便。

public class SyncLock { 
 
   private Object lock = new Object(); 
   
    /** 
     * 直接在方法上加關(guān)鍵字 
     */ 
    public synchronized void methodLock() { 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()); 
    } 
 
    /** 
     * 在代碼塊上加關(guān)鍵字，鎖住當(dāng)前實(shí)例 
     */ 
    public void codeBlockLock() { 
        synchronized (this) { 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()); 
        } 
    } 
   
   /** 
     * 在代碼塊上加關(guān)鍵字,鎖住一個(gè)變量 
     */ 
    public void codeBlockLock() { 
        synchronized (lock) { 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()); 
        } 
    } 
} 

依靠 JVM 中的 monitorenter 和 monitorexit 指令控制。通過 javap -v命令可以看到前面的實(shí)例代碼中對(duì) synchronized 關(guān)鍵字在字節(jié)碼層面的處理，對(duì)于在代碼塊上加 synchronized 關(guān)鍵字的情況，會(huì)通過 monitorenter和monitorexit指令來表示同步的開始和退出標(biāo)識(shí)。而在方法上加關(guān)鍵字的情況，會(huì)用 ACC_SYNCHRONIZED作為方法標(biāo)識(shí)，這是一種隱式形式，底層原理都是一樣的。

public synchronized void methodLock(); 
   descriptor: ()V 
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED 
   Code: 
     stack=2, locals=1, args_size=1 
        0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 
        3: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Thread.currentThread:()Ljava/lang/Thread; 
        6: invokevirtual #4                  // Method java/lang/Thread.getName:()Ljava/lang/String; 
        9: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 
       12: return 
     LineNumberTable: 
       line 12: 0 
       line 13: 12 
 
 public void codeBlockLock(); 
   descriptor: ()V 
   flags: ACC_PUBLIC 
   Code: 
     stack=2, locals=3, args_size=1 
        0: aload_0 
        1: dup 
        2: astore_1 
        3: monitorenter     # 
        4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 
        7: invokestatic  #3                  // Method java/lang/Thread.currentThread:()Ljava/lang/Thread; 
       10: invokevirtual #4                  // Method java/lang/Thread.getName:()Ljava/lang/String; 
       13: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 
       16: aload_1 
       17: monitorexit 
       18: goto          26 
       21: astore_2 
       22: aload_1 
       23: monitorexit 
       24: aload_2 
       25: athrow 
       26: return 

對(duì)象布局

為什么介紹 synchronized 要說到對(duì)象頭呢，這和它的鎖升級(jí)過程有關(guān)系，具體的鎖升級(jí)過程稍后會(huì)講到，作為鎖升級(jí)過程的數(shù)據(jù)支撐，必須要掌握對(duì)象頭的結(jié)構(gòu)才能了解鎖升級(jí)的完整過程。

在 Java 中，任何的對(duì)象實(shí)例的內(nèi)存布局都分為對(duì)象頭、對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充數(shù)據(jù)三個(gè)部分，其中對(duì)象頭又包括 MarkWord 和 類型指針。 

對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)： 這部分就是對(duì)象的實(shí)際數(shù)據(jù)。

對(duì)齊填充： 因?yàn)?HotSpot 虛擬機(jī)內(nèi)存管理要求對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，而對(duì)象頭正好是8個(gè)字節(jié)的整數(shù)倍，但是實(shí)例數(shù)據(jù)不一定，所以需要對(duì)齊填充補(bǔ)全。

對(duì)象頭：

Klass 指針： 對(duì)象頭中的 Klass 指針是用來指向?qū)ο笏鶎兕愋偷?，一個(gè)類實(shí)例究竟屬于哪個(gè)類，需要有地方記錄，就在這里記。

MarkWord: 還有一部分就是和 synchronized 緊密相關(guān)的 MarkWord 了，主要用來存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如hashcode、gc 分代年齡等信息。MarkWord 的位長度為 JVM 的一個(gè) Word 大小，32位 JVM 的大小為32位，64位JVM的大小為64位。

下圖是 64 位虛擬機(jī)下的 MarkWord 結(jié)構(gòu)說明，根據(jù)對(duì)象鎖狀態(tài)不同，某些比特位代表的含義會(huì)動(dòng)態(tài)的變化，之所以要這么設(shè)計(jì)，是因?yàn)椴幌胱寣?duì)象頭占用過大的空間，如果為每一個(gè)標(biāo)示都分配固定的空間，那對(duì)象頭占用的空間將會(huì)比較大。

數(shù)組長度： 要說明一下，如果是數(shù)組對(duì)象的話， 由于數(shù)組無法通過本身內(nèi)容求得自身長度，所以需要在對(duì)象頭中記錄數(shù)組的長度。

源碼中的定義

追根溯源，對(duì)象在 JVM 中是怎么定義的呢?打開 JVM 源碼，找到其中對(duì)象的定義文件，可以看到關(guān)于前面說的對(duì)象頭的定義。

class oopDesc { 
  friend class VMStructs; 
  friend class JVMCIVMStructs; 
 private: 
  volatile markOop _mark; 
  union _metadata { 
    Klass*      _klass; 
    narrowKlass _compressed_klass; 
  } _metadata; 
}   

oop 是對(duì)象的基礎(chǔ)類定義，也就是或 Java 中的 Object 類的定義其實(shí)就是用的 oop，而任何類都由 Object 繼承而來。oopDesc 只是 oop 的一個(gè)別名而已。

可以看到里面有關(guān)于 Klass 的聲明，還有 markOop 的聲明，這個(gè) markOop 就是對(duì)應(yīng)上面說到的 MarkWord。

class markOopDesc: public oopDesc { 
 private: 
  // Conversion 
  uintptr_t value() const { return (uintptr_t) this; } 
 
 public: 
  // Constants 
  enum { age_bits                 = 4, //分代年齡 
         lock_bits                = 2, //鎖標(biāo)志位 
         biased_lock_bits         = 1, //偏向鎖標(biāo)記   
         max_hash_bits            = BitsPerWord - age_bits - lock_bits - biased_lock_bits, 
         hash_bits                = max_hash_bits > 31 ? 31 : max_hash_bits, 
         cms_bits                 = LP64_ONLY(1) NOT_LP64(0), 
         epoch_bits               = 2 
  }; 
}   

以上代碼只是截取了其中一部分，可以看到其中有關(guān)于分代年齡、鎖標(biāo)志位、偏向鎖的定義。

雖然源碼咱也看不太懂，但是當(dāng)我看到它們的時(shí)候，恍惚之間，內(nèi)心會(huì)感嘆到，原來如此。有種宇宙之間，已盡在我掌控之中的感覺。過兩天才發(fā)現(xiàn)，原來只是一種心理安慰。但是，已經(jīng)不重要了。

提示

如果你有興趣翻源碼看看，這部分的定義在 /src/hotspot/share/oops目錄下，能告訴你的就這么多了。

鎖升級(jí)JDK 1.6 之后，對(duì) synchronized 做了優(yōu)化，主要就是 CAS 自旋、鎖消除、鎖膨脹、輕量級(jí)鎖、偏向鎖等，這些技術(shù)都是為了在線程之間更高效地共享數(shù)據(jù)及解決競(jìng)爭(zhēng)問題，從而提高程序的執(zhí)行效率，進(jìn)而產(chǎn)生了一套鎖升級(jí)的規(guī)則。

synchronized 的鎖升級(jí)過程是通過動(dòng)態(tài)改變對(duì)象 MarkWord 各個(gè)標(biāo)志位來表示當(dāng)前的鎖狀態(tài)的，那修改的是哪個(gè)對(duì)象的 MarkWord 呢，看上面的代碼中，synchronized 關(guān)鍵字是加在 lock 變量上的，那就會(huì)控制 lock 的 MarkWord。如果是 synchronized(this)或者在方法上加關(guān)鍵字，那控制的就是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象的 MarkWord。 

synchronized 的核心準(zhǔn)則概括起來大概是這個(gè)樣子。

1. 能不加鎖就不加鎖。
2. 能偏向就盡量偏向。
3. 能加輕量級(jí)鎖就不用重量級(jí)鎖。

無鎖轉(zhuǎn)向偏向鎖

偏向鎖的意思是說，這個(gè)鎖會(huì)偏向于第一個(gè)獲得它的線程，如果在接下來的執(zhí)行過程中，該鎖一直沒有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠(yuǎn)不需要再進(jìn)行同步。

當(dāng)線程嘗試獲取鎖對(duì)象的時(shí)候，先檢查 MarkWord 中的線程ID 是否為空。如果為空，則虛擬機(jī)會(huì)將 MarkWord 中的偏向標(biāo)記設(shè)置為 1，鎖標(biāo)記位為 01。同時(shí)，使用 CAS 操作嘗試將線程ID記錄到 MarkWord 中，如果 CAS 操作成功，那之后這個(gè)持有偏向鎖的線程再次進(jìn)入相關(guān)同步塊的時(shí)候，將不需要再進(jìn)行任何的同步操作。

如果檢查線程ID不為空，并且不為當(dāng)前線程ID，或者進(jìn)行 CAS 操作設(shè)置線程ID失敗的情況下，都要撤銷偏向狀態(tài)，這時(shí)候就要升級(jí)為偏向鎖了。

偏向鎖升級(jí)到輕量級(jí)鎖

當(dāng)多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，偏向鎖會(huì)向輕量級(jí)鎖狀態(tài)升級(jí)。

首先，線程嘗試獲取鎖的時(shí)候，先檢查鎖標(biāo)志為是否為 01 狀態(tài)，也就是未鎖定狀態(tài)。

如果是未鎖定狀態(tài)，那就在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)鎖記錄(Lock Record)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域存儲(chǔ) MarkWord 的拷貝。

之后，嘗試用 CAS 操作將 MarkWord 更新為指向鎖記錄的指針(就是上一步在線程棧幀中的 MarkWord 拷貝)，如果 CAS 更新成功了，那偏向鎖正式升級(jí)為輕量級(jí)鎖，鎖標(biāo)志為變?yōu)?00。

如果 CAS 更新失敗了，那檢查 MarkWord 是否已經(jīng)指向了當(dāng)前線程的鎖記錄，如果已經(jīng)指向自己，那表示已經(jīng)獲取了鎖，否則，輕量級(jí)鎖要膨脹為重量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖升級(jí)到重量級(jí)鎖

上面的圖中已經(jīng)有了關(guān)于輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖的邏輯。當(dāng)鎖已經(jīng)是輕量級(jí)鎖的狀態(tài)，再有其他線程來競(jìng)爭(zhēng)鎖，此時(shí)輕量級(jí)鎖就會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖。

重量級(jí)鎖的實(shí)現(xiàn)原理

為什么叫重量級(jí)鎖呢?在重量級(jí)鎖中沒有競(jìng)爭(zhēng)到鎖的對(duì)象會(huì) park 被掛起，退出同步塊時(shí) unpark 喚醒后續(xù)線程。喚醒操作涉及到操作系統(tǒng)調(diào)度會(huì)有額外的開銷，這就是它被稱為重量級(jí)鎖的原因。

當(dāng)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖的時(shí)候，MarkWord 會(huì)指向重量級(jí)鎖的指針 monitor，monitor 也稱為管程或監(jiān)視器鎖， 每個(gè)對(duì)象都存在著一個(gè) monitor 與之關(guān)聯(lián) ，對(duì)象與其 monitor 之間的關(guān)系有存在多種實(shí)現(xiàn)方式，如monitor可以與對(duì)象一起創(chuàng)建銷毀或當(dāng)線程試圖獲取對(duì)象鎖時(shí)自動(dòng)生成，但當(dāng)一個(gè) monitor 被某個(gè)線程持有后，它便處于鎖定狀態(tài)。

ObjectMonitor中有兩個(gè)隊(duì)列，_WaitSet 和 _EntryList，用來保存 ObjectWaiter 對(duì)象列表( 每個(gè)等待鎖的線程都會(huì)被封裝成 ObjectWaiter對(duì)象)，_owner 指向持有 ObjectMonitor 對(duì)象的線程，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問一段同步代碼時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入 _EntryList 集合，當(dāng)線程獲取到對(duì)象的monitor 后進(jìn)入 _Owner 區(qū)域并把 monitor 中的 owner 變量設(shè)置為當(dāng)前線程同時(shí) monitor 中的計(jì)數(shù)器 count 加1，若線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當(dāng)前持有的 monitor，owner 變量恢復(fù)為 null，count 自減1，同時(shí)該線程進(jìn)入 WaitSet 集合中等待被喚醒。若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放 monitor(鎖)并復(fù)位變量的值，以便其他線程進(jìn)入獲取 monitor(鎖)

monitor 對(duì)象存在于每個(gè) Java 對(duì)象的對(duì)象頭中(存儲(chǔ)的指針的指向)，synchronized 鎖便是通過這種方式獲取鎖的，也是為什么 Java 中任意對(duì)象可以作為鎖的原因，同時(shí)也是notify/notifyAll/wait等方法存在于頂級(jí)對(duì)象Object中的原因。

適用場(chǎng)景

偏向鎖

優(yōu)點(diǎn)： 加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執(zhí)行非同步方法比僅存在納秒級(jí)的差距。

缺點(diǎn)： 如果線程間存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)帶來額外的鎖撤銷的消耗。

適用場(chǎng)景： 適用于只有一個(gè)線程訪問同步塊場(chǎng)景。

有的同學(xué)可能會(huì)有疑惑，適用于只有一個(gè)線程的場(chǎng)景是什么鬼，一個(gè)線程還加什么鎖。

要知道，有些鎖不是你想不加就不加的。比方說你在使用一個(gè)第三方庫，調(diào)用它里面的一個(gè) API，你雖然知道是在單線程下使用，并不需要加鎖，但是第三方庫不知道啊，你調(diào)用的這個(gè) API 正好是用 synchronized 做了同步的。這種情況下，使用偏向鎖可以達(dá)到最高的性能。

輕量級(jí)鎖

優(yōu)點(diǎn)： 競(jìng)爭(zhēng)的線程不會(huì)阻塞，提高了程序的響應(yīng)速度。

缺點(diǎn)： 如果始終得不到鎖競(jìng)爭(zhēng)的線程使用自旋會(huì)消耗CPU。

適用場(chǎng)景： 追求響應(yīng)時(shí)間。同步塊執(zhí)行速度非常快。

重量級(jí)鎖

優(yōu)點(diǎn)： 線程競(jìng)爭(zhēng)不使用自旋，不會(huì)消耗CPU。

缺點(diǎn)： 線程阻塞，響應(yīng)時(shí)間緩慢。

適用場(chǎng)景： 追求吞吐量。同步塊執(zhí)行速度較長。

總結(jié)

1、synchronized 是可重入鎖，是一個(gè)非公平的可重入鎖，所以如果場(chǎng)景比較復(fù)雜的情況，還是要考慮其他的顯式鎖，比如 Reentrantlock、CountDownLatch等。

2、synchronized 有鎖升級(jí)的過程，當(dāng)有線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下，除了互斥量的本身開銷外，還額外發(fā)生了CAS操作的開銷。因此在有競(jìng)爭(zhēng)的情況下，synchronized 會(huì)有一定的性能損耗。

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