JAVAsynchronized原理詳解

更新時間：2021年08月20日 08:50:23 作者：須佐能乎！

這篇文章主要介紹了Java中synchronized實現(xiàn)原理詳解，涉及synchronized實現(xiàn)同步的基礎(chǔ)，Java對象頭，Monitor，Mark Word，鎖優(yōu)化，自旋鎖等相關(guān)內(nèi)容，具有一定借鑒價值，需要的朋友可以參考下

1、synchronized的作用

為了避免臨界區(qū)的競態(tài)條件發(fā)生，有多種手段可以達(dá)到目的。

阻塞式的解決方案：synchronized，Lock
非阻塞式的解決方案：原子變量

synchronized，即俗稱的【對象鎖】，它采用互斥的方式讓同一時刻至多只有一個線程能持有【對象鎖】，其它線程再想獲取這個【對象鎖】時就會阻塞住。這樣就能保證擁有鎖的線程可以安全的執(zhí)行臨界區(qū)內(nèi)的代碼，不用擔(dān)心線程上下文切換。

synchronized的三個作用

原子性：確保線程互斥的訪問同步代碼
可見性：保證共享變量的修改能夠及時可見
有序性：有效解決重排序問題

2、synchronized的語法

class Test1{
    public synchronized void test() {
    }
}
//等價于
class Test1{
    public void test() {
        //鎖的是當(dāng)前對象
        synchronized(this) {
        }
    }
}

class Test2{
    public synchronized static void test() {
    }
}
//等價于
class Test2{
    public static void test() {
        //鎖的是類對象，類對象只有一個
        synchronized(Test2.class) {
        }
    }
}

3、Monitor原理

Monitor 被翻譯為監(jiān)視器或管程

每個 Java 對象都可以關(guān)聯(lián)一個 Monitor 對象，如果使用 synchronized 給對象上鎖（重量級）之后，該對象頭的 Mark Word 中就被設(shè)置指向 Monitor 對象的指針

Monitor 結(jié)構(gòu)如下

剛開始 Monitor 中 Owner 為 null
當(dāng) Thread-2 執(zhí)行 synchronized(obj) 就會將 Monitor 的所有者 Owner 置為 Thread-2，Monitor中只能有一個 Owner
在 Thread-2 上鎖的過程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也來執(zhí)行 synchronized(obj)，就會進(jìn)入EntryList BLOCKED
Thread-2 執(zhí)行完同步代碼塊的內(nèi)容，然后喚醒 EntryList 中等待的線程來競爭鎖，競爭的時是非公平的
圖中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前獲得過鎖，但條件不滿足進(jìn)入 WAITING 狀態(tài)的線程

注意：不加 synchronized 的對象不會關(guān)聯(lián)監(jiān)視器

4、synchronized的原理

通過對Java代碼進(jìn)行反編譯可知，Synchronized的語義底層是通過一個monitor的對象來完成，
其實wait/notify等方法也依賴于monitor對象，這就是為什么只有在同步的塊或者方法中才能調(diào)用wait/notify等方法，否則會拋出java.lang.IllegalMonitorStateException的異常的原因。

從JDK5引入了現(xiàn)代操作系統(tǒng)新增加的CAS原子操作（ JDK5中并沒有對synchronized關(guān)鍵字做優(yōu)化，而是體現(xiàn)在J.U.C中，所以在該版本concurrent包有更好的性能），從JDK6開始，就對synchronized的實現(xiàn)機制進(jìn)行了較大調(diào)整，包括使用JDK5引進(jìn)的CAS自旋之外，還增加了自適應(yīng)的CAS自旋、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級鎖這些優(yōu)化策略。由于此關(guān)鍵字的優(yōu)化使得性能極大提高.

鎖主要存在四種狀態(tài)，依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)、重量級鎖狀態(tài)，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖。但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現(xiàn)鎖的降級。

在 JDK 1.6 中默認(rèn)是開啟偏向鎖和輕量級鎖的，可以通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。

4.1偏向鎖

Java 6 中引入了偏向鎖來做進(jìn)一步優(yōu)化：只有第一次使用 CAS 將線程 ID 設(shè)置到對象的 Mark Word 頭，之后發(fā)現(xiàn) 這個線程 ID 是自己的就表示沒有競爭，不用重新 CAS。以后只要不發(fā)生競爭，這個對象就歸該線程所有。

調(diào)用了對象的 hashCode，但偏向鎖的對象 MarkWord 中存儲的是線程 id，如果調(diào)用 hashCode 會導(dǎo)致偏向鎖被撤銷

輕量級鎖會在鎖記錄中記錄 hashCode

重量級鎖會在 Monitor 中記錄 hashCode

4.2輕量級鎖

輕量級鎖的使用場景：如果一個對象雖然有多線程要加鎖，但加鎖的時間是錯開的（也就是沒有競爭），那么可以使用輕量級鎖來優(yōu)化。
輕量級鎖對使用者是透明的，即語法仍然是 synchronized。

引入輕量級鎖的主要目的是在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統(tǒng)的重量級鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗。當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能或者多個線程競爭偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級為輕量級鎖，則會嘗試獲取輕量級鎖。

4.3鎖膨脹

如果在嘗試加輕量級鎖的過程中，CAS 操作無法成功，這時一種情況就是有其它線程為此對象加上了輕量級鎖（有競爭），這時需要進(jìn)行鎖膨脹，將輕量級鎖變?yōu)橹亓考夋i。

4.4重量級鎖

Synchronized是通過對象內(nèi)部的一個叫做監(jiān)視器鎖（Monitor）來實現(xiàn)的。但是監(jiān)視器鎖本質(zhì)又是依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來實現(xiàn)的。而操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程之間的切換這就需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個成本非常高，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時間，這就是為什么Synchronized效率低的原因。因此，這種依賴于操作系統(tǒng)Mutex Lock所實現(xiàn)的鎖我們稱之為 “重量級鎖”。

4.5自旋鎖

線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負(fù)擔(dān)很重的工作，勢必會給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來很大的壓力。同時我們發(fā)現(xiàn)在許多應(yīng)用上面，對象鎖的鎖狀態(tài)只會持續(xù)很短一段時間，為了這一段很短的時間頻繁地阻塞和喚醒線程是非常不值得的。

所以引入自旋鎖，何謂自旋鎖？

所謂自旋鎖，就是指當(dāng)一個線程嘗試獲取某個鎖時，如果該鎖已被其他線程占用，就一直循環(huán)檢測鎖是否被釋放，而不是進(jìn)入線程掛起或睡眠狀態(tài)。

4.6鎖消除

消除鎖是虛擬機另外一種鎖的優(yōu)化，這種優(yōu)化更徹底，Java虛擬機在JIT編譯時(可以簡單理解為當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時進(jìn)行編譯，又稱即時編譯)，通過對運行上下文的掃描，去除不可能存在共享資源競爭的鎖，通過這種方式消除沒有必要的鎖，可以節(jié)省毫無意義的請求鎖時間，如下StringBuffer的append是一個同步方法，但我們將StringBuffer作為一個局部變量使用，并且不會被其他線程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享資源競爭的情景，JVM會自動將其鎖消除。

4.7鎖粗化

在使用同步鎖的時候，需要讓同步塊的作用范圍盡可能小—僅在共享數(shù)據(jù)的實際作用域中才進(jìn)行同步，這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小，如果存在鎖競爭，那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。

在大多數(shù)的情況下，上述觀點是正確的。但是如果一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作，可能會導(dǎo)致不必要的性能損耗，所以引入鎖粗話的概念。

鎖粗話概念比較好理解，就是將多個連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴展成一個范圍更大的鎖