超硬核Synchionized底层实现原理

synchronized实现同步的基础是：Java中的每个对象都可作为锁。所以synchronized锁的都对象，只不过不同形式下锁的对象不一样。

• 修饰实例方法，锁的是当前实例对象。(注意实例方法不包括静态方法)
• 修饰静态方法，锁的是当前类的Class对象。
• 修饰同步方法块，锁的是Synchronized括号里配置的对象。

3. synchronized底层语义原理

Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现， 无论是显式同步(有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代码块)还是隐式同步都是如此。

• 同步代码块是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的
• 同步方法并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的，关于这点，稍后详细分析。

下面先来了解一个概念Java对象头，这对深入理解synchronized实现原理非常关键。

3.1 理解Java对象头与Monitor

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。如下：

• 实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息。
• 对齐填充：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。
• 对象头：Java对象头一般占有2个机器码（在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节，也就是32bit，在64位虚拟机中，1个机器码是8个字节，也就是64bit），但是如果对象是数组类型，则需要3个机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。

关于对象头的数据类型的解读

• Markword: 存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC 分代年龄、锁状态标志位、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳、对象分代年龄等；Mark Word 被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据自己的状态复用自己的存储空间

下面是附加信息，只看锁的话可以快速略过这部分

• 类型指针: 类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。
• 对象数组长度: 如果对象是一个 Java 数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。因为虚拟机可以通过普通 Java 对象的元数据信息确定 Java 对象的大小，但是从数组的元数据中无法确定数组的大小。这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为 32bit 和 64bit。

Markword动态调整可能出现的状态

Markword动态调整可能出现的状态

我们主要分析monitor

每个对象都存在着一个 monitor与之关联 ，（对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如）monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor实现的，ObjectMonitor主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  //标识拥有该monitor的线
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;//多线程竞争锁进入时的单向链表
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor结构模型

结构图解析:

ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象)。

_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1。

若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。

若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。

为什么Java中任意对象可以作为锁的原因水落石出了 : monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因(关于这点稍后还会进行分析)

3.2 synchionized 锁代码块的底层原理

关于synchionized代码块底层原理和synchionized方法底层原理,这里通过利用javap直观的展现加了synchionized后,我们的代码到底出现了些什么指令来观察

现在我们重新定义一个synchronized修饰的同步代码块，在代码块中操作共享变量i，如下:

public class SyncCodeBlock {

   public int i;

   public void syncTask(){
       //同步代码块
       synchronized (this){
           i++;
       }
   }
}

编译上述代码并使用javap反编译后得到字节码如下(这里我们省略一部分没有必要的信息)：

  Last modified 2018-07-25; size 426 bytes
  MD5 checksum c80bc322c87b312de760942820b4fed5
  Compiled from "SyncCodeBlock.java"
public class com.hc.concurrencys.SyncCodeBlock
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
  //........省略常量池中数据
  //构造函数
  public com.hc.concurrencys.SyncCodeBlock();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
  //===========主要看看syncTask方法实现================
  public void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter  //注意此处，进入同步方法
         4: aload_0
         5: dup
         6: getfield      #2             // Field i:I
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putfield      #2            // Field i:I
        14: aload_1
        15: monitorexit   //注意此处，退出同步方法
        16: goto          24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit //注意此处，退出同步方法(编译器自动生成的)
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:
      //省略其他字节码.......
}
SourceFile: "SyncCodeBlock.java"

我们主要关注字节码中的如下代码

3: monitorenter  //进入同步方法
//..........省略其他  
15: monitorexit   //退出同步方法
16: goto          24
//省略其他.......
21: monitorexit //退出同步方法

通过反编译解读--同步代码块多线程下关于锁的竞争模拟

首先从字节码中可知同步语句块的实现使用的是monitorenter 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.

• 当执行monitorenter指令时，当前线程将试图获取 objectref(即对象锁) 所对应的 monitor 的持有权，当 objectref 的 monitor 的进入计数器为 0，那线程可以成功取得 monitor，并将计数器值设置为 1，取锁成功。
• 如果当前线程已经拥有 objectref 的 monitor 的持有权，那它可以重入这个 monitor (关于重入性稍后会分析)，重入时计数器的值也会加 1。
• 倘若其他线程已经拥有 objectref 的 monitor 的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行线程执行完毕，即monitorexit指令被执行，执行线程将释放 monitor(锁)并设置计数器值为0 ，其他线程将有机会持有 monitor 。
• 值得注意的是编译器将会确保无论这个方法是正常结束还是异常结束，方法中调用过的每条 monitorenter 指令都有执行其对应 monitorexit 指令。 咋做的呢？为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令，它就是异常结束时被执行的释放monitor 的指令。

3.3 synchronized 锁方法的 底层原理

方法级的同步是隐式，即无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中。

原理：JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED访问标志区分一个方法是否同步方法。

当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有monitor（虚拟机规范中用的是管程一词），然后再执行方法，最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。

在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放。 下面我们看看字节码层面如何实现：

public class SyncMethod {

   public int i;

   public synchronized void syncTask(){
           i++;
   }
}

使用javap反编译后的字节码如下：

  Last modified 2017-6-2; size 308 bytes
  MD5 checksum f34075a8c059ea65e4cc2fa610e0cd94
  Compiled from "SyncMethod.java"
public class com.hc.concurrencys.SyncMethod
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool;

   //省略没必要的字节码
  //==================syncTask方法======================
  public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    //方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field i:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field i:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 10
}
SourceFile: "SyncMethod.java"

从字节码中可以看出，synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。这便是synchronized锁在同步代码块和同步方法上实现的基本原理的区别。

同时我们还必须注意到的是在Java早期版本中，synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock(互斥锁)来实现的，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因。庆幸的是在Java6之后Java官方对从JVM层面对synchronized较大优化，所以现在的synchronized锁效率也优化得很不错了，Java6之后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁，接下来我们将简单了解一下Java官方在JVM层面对synchronized锁的优化。

4. Java虚拟机对synchronized的优化

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。 随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级，关于重量级锁，前面我们已详细分析过，下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段，这里并不打算深入到每个锁的实现和转换过程更多地是阐述Java虚拟机所提供的每个锁的核心优化思想，毕竟涉及到具体过程比较繁琐。

4.1 偏向锁

偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。

为什么引入偏向锁呢?经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁的代价而引入偏向锁。

对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，这里有个注意的点，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。

下面我们可以详细了解轻量级锁，有需要就看，没需要就略过。

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,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.

• 偏向锁的加锁 当一个线程访问同步块并获取锁时, 会在锁对象的对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID, 以后该线程进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁, 只需要简单的测试一下锁对象的对象头的MarkWord里是否存储着指向当前线程的偏向锁(线程ID是当前线程), 如果测试成功, 表示线程已经获得了锁; 如果测试失败, 则需要再测试一下MarkWord中偏向锁的标识是否设置成1(表示当前是偏向锁), 如果没有设置, 则使用CAS竞争锁, 如果设置了, 则尝试使用CAS将锁对象的对象头的偏向锁指向当前线程.
• 偏向锁的撤销 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. 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).
• 总结: 偏向锁在Java6及更高版本中是默认启用的, 但是它在程序启动几秒钟后才激活. 可以使用-XX:BiasedLockingStartupDelay=0来关闭偏向锁的启动延迟, 也可以使用-XX:-UseBiasedLocking=false来关闭偏向锁, 那么程序会直接进入轻量级锁状态.

4.2 轻量级锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，

轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

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.

• 轻量级锁加锁 线程在执行同步块之前, JVM会先在当前线程的栈帧中创建用户存储锁记录的空间, 并将对象头中的MarkWord复制到锁记录中. 然后线程尝试使用CAS将对象头中的MarkWord替换为指向锁记录的指针. 如果成功, 当前线程获得锁; 如果失败, 表示其它线程竞争锁, 当前线程便尝试使用自旋来获取锁, 之后再来的线程, 发现是轻量级锁, 就开始进行自旋.
• 轻量级锁解锁 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.
• 总结 总结一下加锁解锁过程, 有线程A和线程B来竞争对象c的锁(如: synchronized(c){} ), 这时线程A和线程B同时将对象c的MarkWord复制到自己的锁记录中, 两者竞争去获取锁, 假设线程A成功获取锁, 并将对象c的对象头中的线程ID(MarkWord中)修改为指向自己的锁记录的指针, 这时线程B仍旧通过CAS去获取对象c的锁, 因为对象c的MarkWord中的内容已经被线程A改了, 所以获取失败. 此时为了提高获取锁的效率, 线程B会循环去获取锁, 这个循环是有次数限制的, 如果在循环结束之前CAS操作成功, 那么线程B就获取到锁, 如果循环结束依然获取不到锁, 则获取锁失败, 对象c的MarkWord中的记录会被修改为重量级锁, 然后线程B就会被挂起, 之后有线程C来获取锁时, 看到对象c的MarkWord中的是重量级锁的指针, 说明竞争激烈, 直接挂起. 解锁时, 线程A尝试使用CAS将对象c的MarkWord改回自己栈中复制的那个MarkWord, 因为对象c中的MarkWord已经被指向为重量级锁了, 所以CAS失败. 线程A会释放锁并唤起等待的线程, 进行新一轮的竞争.

4.3 自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

4.4 适应性自旋锁

DK 1.6引入了更加聪明的自旋锁，即自适应自旋锁。所谓自适应就意味着自旋的次数不再是固定的，它是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。 线程如果自旋成功了，那么下次自旋的次数会更加多，因为虚拟机认为既然上次成功了，那么此次自旋也很有可能会再次成功，那么它就会允许自旋等待持续的次数更多。反之，如果对于某个锁，很少有自旋能够成功，那么在以后要或者这个锁的时候自旋的次数会减少甚至省略掉自旋过程，以免浪费处理器资源。

4.5 锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间

如下面代码中,StringBuffer的append是一个同步方法，但是在我们自定义的add方法中的StringBuffer在这里属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

public class StringBufferRemoveSync {

    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用
        //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            rmsync.add("abc", "123");
        }
    }

}

4.6 偏向锁、轻量级锁、重量级锁之间的状态转换

4.7 偏向锁、轻量级锁、重量级锁之间的优缺点对比