前言

相信很多同學(xué)對(duì)synchronized的使用上不陌生，之前也給大家講解過(guò)它的使用。本篇主要帶大家深入了解一下它，大家也可以自己試著總結(jié)一下，這也是面試中常常問(wèn)到的，單純的回答它的基本使用，是驚艷不到面試官的~。

synchronized 介紹

從字面意思翻譯過(guò)來(lái)就是同步的意思，所以它也叫同步鎖,我們通常會(huì)給某個(gè)方法或者某塊代碼加上Synchronized鎖來(lái)解決多線程中并發(fā)帶來(lái)的問(wèn)題，它也是最常用,最簡(jiǎn)單的一種方法。

在Java中，鎖基本上都是基于對(duì)象而言的，所以又稱(chēng)為對(duì)象鎖, 一個(gè)類(lèi)通常只有一個(gè)class對(duì)象和n個(gè)實(shí)例對(duì)象，它們共享class對(duì)象,而我們有時(shí)候會(huì)對(duì)class對(duì)象加鎖,所以又稱(chēng)為class對(duì)象鎖。

這里大家要注意的是對(duì)象需要是一個(gè)非null的對(duì)象,我們通常也叫做對(duì)象監(jiān)視器(Object Monitor)。

重量級(jí)鎖

在JDK 1.5之前，它是一個(gè)重量級(jí)鎖,我們通常都會(huì)使用它來(lái)保證線程同步。在1.5的時(shí)候還提供了一個(gè)Lock接口來(lái)實(shí)現(xiàn)同步鎖的功能，我們只需要顯式的獲取鎖和釋放鎖。

重在哪?

在1.5的時(shí)候,Synchronized它依賴(lài)于操作系統(tǒng)底層的Mutex Lock實(shí)現(xiàn),每次釋放鎖和獲取鎖都會(huì)導(dǎo)致用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換,從而增加系統(tǒng)性能的開(kāi)銷(xiāo),當(dāng)出現(xiàn)大并發(fā)的情況下，鎖競(jìng)爭(zhēng)會(huì)比較激烈，性能顯得非常糟糕，所以稱(chēng)為重量級(jí)鎖,所以大家往往會(huì)選擇Lock鎖。

鎖優(yōu)化

但是Synchronized又是那么的簡(jiǎn)單好用，又是官方自帶的，怎么可能放棄呢？所以在1.6之后，引入了大量的鎖優(yōu)化，比如自旋鎖，輕量級(jí)鎖, 偏向鎖等,下面我們逐個(gè)看一下。

synchronized 實(shí)現(xiàn)原理

我們了解鎖優(yōu)化之前，我們先看一下它的實(shí)現(xiàn)原理。

首先我們看下同步塊中，因?yàn)樗顷P(guān)鍵字，我們看不到源碼實(shí)現(xiàn)，所以只能反編譯看一下,通過(guò) javap -v **.class。

public static void main(String[] args) {
        synchronized(Demo.class) {
            System.out.println("hello");
        }
    }

public static void main(java.lang.String[]);
        descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
        stack=2, locals=3, args_size=1
        0: ldc           #2                  // class com/thread/base/Demo
        2: dup
        3: astore_1
        4: monitorenter
        5: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        8: ldc           #4                  // String hello
        10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        13: aload_1
        14: monitorexit
        15: goto          23
        18: astore_2
        19: aload_1
        20: monitorexit
        21: aload_2
        22: athrow
        23: return

我們重點(diǎn)關(guān)注monitorenter和monitorexit,那么他倆是什么意思呢？

monitorenter，如果當(dāng)前 monitor 的進(jìn)入數(shù)為 0 時(shí)，線程就會(huì)進(jìn)入 monitor，并且把進(jìn)入數(shù) + 1，那么該線程就是 monitor 的擁有者 (owner)。如果該線程已經(jīng)是 monitor 的擁有者，又重新進(jìn)入，就會(huì)把進(jìn)入數(shù)再次 + 1。也就是可重入。

monitorexit，執(zhí)行 monitorexit 的線程必須是 monitor 的擁有者，指令執(zhí)行后，monitor 的進(jìn)入數(shù)減 1，如果減 1 后進(jìn)入數(shù)為 0，則該線程會(huì)退出 monitor。其他被阻塞的線程就可以嘗試去獲取 monitor 的所有權(quán)。指令出現(xiàn)了兩次，第 1 次為同步正常退出釋放鎖；第2次為發(fā)生異步退出釋放鎖。

我們?cè)賮?lái)看一下, 修飾實(shí)例方法中的表現(xiàn):

class Demo {
    public synchronized void hello() {
        System.out.println("hello");
    }
}

public synchronized void hello();
    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: ldc           #3                  // String hello
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 25: 0
        line 26: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  this   Lcom/thread/base/Demo;
}

我們重點(diǎn)關(guān)注ACC_SYNCHRONIZED,它作用就是一旦執(zhí)行到這個(gè)方法時(shí)，就會(huì)先判斷是否有標(biāo)志位，如果有，就會(huì)先嘗試獲取 monitor，獲取成功才能執(zhí)行方法，方法執(zhí)行完成后再釋放 monitor。在方法執(zhí)行期間，其他線程都無(wú)法獲取同一個(gè) monitor。歸根結(jié)底還是對(duì) monitor 對(duì)象的爭(zhēng)奪，只是同步方法是一種隱式的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

synchronized 在 JVM 里的實(shí)現(xiàn)就是基于進(jìn)入和退出 monitor 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，底層則是通過(guò)成對(duì)的 MonitorEnter 和 MonitorExit 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

有了以上的認(rèn)識(shí)，下面我們就看看鎖優(yōu)化。

Synchronized中的鎖優(yōu)化

自適應(yīng)自旋鎖

自旋鎖，之前我們講FutureTask源碼的時(shí)候，有一個(gè)內(nèi)部方法awaitDone(),給大家有介紹過(guò)，就是基于它實(shí)現(xiàn)的，今天再給大家總結(jié)一下。

它的目的是為了避免阻塞和喚醒的切換，在沒(méi)有獲得鎖的時(shí)候就不進(jìn)入阻塞，不斷地循環(huán)檢測(cè)鎖是否被釋放。但是，它也有弊端，我們通常來(lái)講，一個(gè)線程占用鎖的時(shí)間相對(duì)較短，但是萬(wàn)一占用很長(zhǎng)時(shí)間怎么辦？這樣會(huì)占用大量cpu時(shí)間，這樣會(huì)導(dǎo)致性能變差,所以在1.6引入了自適應(yīng)自旋鎖來(lái)滿(mǎn)足這樣的場(chǎng)景。

那么什么是自適應(yīng)自旋鎖呢？自旋的次數(shù)不是固定的，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定。如果此次自旋成功了，很有可能下一次也能成功，于是允許自旋的次數(shù)就會(huì)更多，反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果很少有線程能夠自旋成功，很有可能下一次也是失敗，則自旋次數(shù)就更少。這樣一來(lái)，就能夠更好的利用系統(tǒng)資源。

鎖消除

鎖消除是一種鎖的優(yōu)化策略，這種優(yōu)化更加徹底，在 JVM 編譯時(shí)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行上下文的掃描，去除不可能存在共享資源競(jìng)爭(zhēng)的鎖。這種優(yōu)化策略可以消除沒(méi)有必要的鎖，去除獲取鎖的時(shí)間。

鎖粗化

如果一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作，可能會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗，所以引入鎖粗話(huà)的概念。意思是將多個(gè)連續(xù)加鎖、解鎖的操作連接在一起，擴(kuò)展成為一個(gè)范圍更大的鎖, 這個(gè)應(yīng)該很好理解。

偏向鎖

偏向鎖是JDK 1.6引入的，它解決的場(chǎng)景是什么呢？我們大部分使用鎖都是解決多線程場(chǎng)景下的問(wèn)題,但有時(shí)候往往一個(gè)線程也會(huì)存在這樣的問(wèn)題，偏向鎖是在單線程執(zhí)行代碼塊時(shí)使用的機(jī)制。

鎖的爭(zhēng)奪實(shí)際上是 Monitor 對(duì)象的爭(zhēng)奪，還有每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)對(duì)象頭，對(duì)象頭是由 Mark Word 和 Klass pointer 組成的。一旦有線程持有了這個(gè)鎖對(duì)象，標(biāo)志位修改為 1，就進(jìn)入偏向模式，同時(shí)會(huì)把這個(gè)線程的 ID 記錄在對(duì)象的 Mark Word 中，當(dāng)同一個(gè)線程再次進(jìn)入時(shí)，就不再進(jìn)行同步操作，大大減少了鎖獲取的時(shí)間，從而提高了性能。

輕量級(jí)鎖

我們上邊提到的偏向鎖,在多線程情況下如果偏向鎖失敗就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖， Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級(jí)鎖的結(jié)構(gòu)。

執(zhí)行同步代碼塊之前，JVM 會(huì)在線程的棧幀中創(chuàng)建一個(gè)鎖記錄（Lock Record），并將 Mark Word 拷貝復(fù)制到鎖記錄中。然后嘗試通過(guò) CAS 操作將 Mark Word 中的鎖記錄的指針，指向創(chuàng)建的 Lock Record。如果成功表示獲取鎖狀態(tài)成功，如果失敗，則進(jìn)入自旋獲取鎖狀態(tài)。

如果自旋鎖失敗,就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖,也就是我們之前講的，會(huì)把線程阻塞，需等待喚醒。

重量級(jí)鎖

它又稱(chēng)為悲觀鎖, 升級(jí)到這種情況下，鎖競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，占用時(shí)間也比較長(zhǎng)，為了減少cpu的消耗，會(huì)將線程阻塞，進(jìn)入阻塞隊(duì)列。

synchronized就是通過(guò)鎖升級(jí)策略來(lái)適應(yīng)不同的場(chǎng)景，所以現(xiàn)在synchronized被優(yōu)化的很好，也是我們項(xiàng)目中往往都會(huì)使用它的理由。

結(jié)束語(yǔ)

本節(jié)的內(nèi)容比較多，大家好好理解，特別是鎖的升級(jí)策略。本節(jié)我們提到了Lock鎖,下一節(jié)，帶大家深入學(xué)習(xí)一下Java的Lock 。