synchronized詳解

解釋

synchronized是jvm級別的一種重量級鎖，但是隨著jdk對synchronized的不斷優化，現在它已經變得沒有我們想象的那么重了。由于synchronized使用簡單，也不用手動釋放鎖，因此我們平時開發中用到最多的鎖就是它了。

synchronized鎖的三種形式

• 普通方法：鎖是當前對象實例
• 靜態方法：鎖是當前類的Class對象
• 同步方法塊：鎖是synchronized括號里的對象

實現原理

同步代碼塊在編譯后會在前后分別插入monitorenter和monitorexit指令，每個對象在同一時刻只會與一個monitor相關聯，當線程執行到monitorenter指令時就會嘗試獲取對象所對應的monitor的所有權，如果這個monitor已經被其他線程獲取，則需要等待鎖釋放。

對象頭

synchronized鎖是存在對象頭中的。如果對象是數組類型，則虛擬機用3個字寬存儲對象頭，如果對象是非數組類型，則用2個字寬存儲對象頭。在32位虛擬機中，1字寬等于4字節，即32bit。

補充一點：Java對象保存在內存中，由三部分組成：對象頭、實例數據、對齊填充字節。Java頭由三部分組成：Mark Word、指向類的指針、數組長度（只有數組對象才有）。

32位jvm的Mark Word的存儲結構如下

Mark Word中的數據隨著鎖標志位的變化而變化，如下

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鎖的升級

java1.6以后，為了減少獲取鎖和釋放鎖的性能消耗，引入了“偏向鎖”和”輕量級鎖“。鎖的狀態可以從無鎖狀態->偏向鎖->輕量級鎖->重量級鎖，隨著競爭情況逐漸升級，但是不能降級。

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偏向鎖

大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一個線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價更低引入了偏向鎖。當一個線程訪問同步塊并獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程ID，以后該線程在進入和退出同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解釋，只需要簡單地測試一下對象頭的Mark Word里是否存儲著指向當前線程的偏向鎖。如果是，則直接獲得鎖，執行同步塊；如果不是，則使用CAS操作更改線程ID，更改成功獲得鎖，更改失敗開始撤銷偏向鎖。

撤銷偏向鎖

偏向鎖只有存在鎖競爭的情況下才會釋放。撤銷偏向鎖需要等待全局安全點（在這個時間點上沒有正在執行的字節碼），首先暫停偏向鎖持有的線程，然后檢查此線程是否活著，如果線程不處于活動狀態，則轉成無鎖狀態；如果還活著，升級為輕量級鎖。下圖展示了偏向鎖的獲得與撤銷過程

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輕量級鎖

• 加鎖：線程在執行同步塊之前，jvm會先在線程的棧幀中創建用于存儲鎖記錄的空間，然后將對象的Mark Word復制到鎖記錄中，官方稱Displaced Mark Word，再重試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，則獲取鎖；如果失敗，表示其他線程競爭鎖，當前線程使用自旋來獲取鎖。
• 解鎖：輕量級鎖解鎖時，會使用CAS操作將Displaced Mark Word替換回對象頭中，如果成功，表示沒有競爭發生；如果失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。下圖展示鎖膨脹流程圖。

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重量級鎖

因為自旋會消耗CPU，為了避免無用的自旋，一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態。當鎖處于這個狀態下，其他線程試圖獲取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放鎖之后會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進行新一輪的奪鎖之爭。