一.概述

在Java并發(fā)編程學(xué)習(xí)（一）——線程一文中，我們詳細(xì)了解了有關(guān)線程的相關(guān)話題，其中多次提到了synchronized這個(gè)關(guān)鍵字，今天我們就來聊一聊synchronized。

synchronized是java內(nèi)置的一種用于實(shí)現(xiàn)線程間同步的簡單、有效機(jī)制，是java提供給我們的內(nèi)置鎖。我們可以使用synchronized來修飾方法、代碼塊，使被修飾的代碼一段時(shí)間內(nèi)只能由一個(gè)線程進(jìn)入，從而實(shí)現(xiàn)了共享變量被正確的并發(fā)訪問。

二.相關(guān)概念

在進(jìn)一步了解synchronized方法的使用之前，我們先來看幾個(gè)有關(guān)概念：

線程安全
在《java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》中，作者給出了這樣的定義：

當(dāng)多個(gè)線程訪問某個(gè)類時(shí)，不管運(yùn)行時(shí)環(huán)境采用何種調(diào)度方式或者這些線程將如何交替執(zhí)行，并且在主調(diào)代碼中不需要任何額外的同步或協(xié)同，這個(gè)類都能表現(xiàn)出正確的行為，那么就稱這個(gè)類是線程安全的。

簡而言之：當(dāng)多個(gè)線程訪問某個(gè)類時(shí)，這個(gè)類始終都能表現(xiàn)出正確的行為，那么就稱這個(gè)類是線程安全的。

競態(tài)條件
看完了線程安全的概念，我們可能會問，線程不安全的情況是如何產(chǎn)生的呢？

一種常見的情況就是：兩個(gè)線程競爭同一資源時(shí)，并且對資源的訪問順序敏感，這種情況叫做存在競態(tài)條件。

舉個(gè)例子：

public class Counter {
    private int number;
    
    public int add() {
        return number++;
    }
}

在上面的add方法中，我們希望每次調(diào)用，number值都會加1，在單線程中執(zhí)行，完全沒有問題，但是在多線程時(shí)，結(jié)果有時(shí)會變得不可預(yù)料。

原因就在于，number++這一行代碼在cpu中是由三條指令構(gòu)成的：
（1）讀取number的值放到寄存器；
（2）將寄存器的值+1;
（3）將寄存器的值寫入number。

當(dāng)有兩個(gè)線程都需要執(zhí)行add方法時(shí)，實(shí)際上cpu中就有6條執(zhí)行需要執(zhí)行，由于cpu會在不同的線程間切換，而這種切換的時(shí)機(jī)是未知的，因此6條指令的執(zhí)行順序很可能是交替進(jìn)行的，從而導(dǎo)致了意向不到的結(jié)果。

根據(jù)我們上面的定義，上面的add方法（準(zhǔn)確的說是number++語句）就存在競態(tài)條件。

臨界區(qū)
導(dǎo)致競態(tài)條件發(fā)生的代碼區(qū)域叫做臨界區(qū)，上面Counter類中的add方法就是一個(gè)臨界區(qū)。

可見性
可見性是多線程執(zhí)行中的另一個(gè)重要問題，為了保證程序的正確執(zhí)行，一個(gè)線程對共享變量的訪問，應(yīng)該及時(shí)被其他線程看到，這叫做內(nèi)存可見性。

同樣以上面的代碼為例，如果不加任何的線程同步操作，那么當(dāng)一個(gè)線程修改number時(shí)，其他線程并不能及時(shí)感知到，反而有可能拿到失效的結(jié)果，這就沒有滿足可見性。

上面我們談到了線程安全，競態(tài)條件&臨界區(qū)和內(nèi)存可見性，之所以提及這些概念，是因?yàn)樗鼈兪嵌嗑€程并發(fā)執(zhí)行中不容忽視的問題，也是java多線程機(jī)制引入背后的原因，而synchronized就是解決上面問題的一個(gè)最簡單的方法。下面我們就來看看具體用法。

三.用法

大體來說，synchronized關(guān)鍵字有兩種用法：修飾方法或者修飾代碼塊。

修飾方法
在java中，方法分為對象方法和類方法，synchronized可以修飾這兩種方法。
（1）修飾對象方法

public class Counter {
    private int number;

    public synchronized int add() {
        return number++;
    }
}

為了使我們前面提到的Counter類線程安全，我們只需要使用synchronized關(guān)鍵字修飾add方法即可，很簡單有沒有？加上synchronized關(guān)鍵字后，訪問某個(gè)Counter對象的所有線程只能互斥的進(jìn)入add方法。
（2）修飾類方法

public class Counter {
    private static int value;

    public synchronized static int add() {
        return value++;
    }
}

修飾類方法同樣是在方法聲明中添加synchronized關(guān)鍵字，只是影響的范圍不同：修飾靜態(tài)方法時(shí)，將導(dǎo)致線程在訪問Counter類的所有對象時(shí)，都將互斥的進(jìn)入add方法，我們驗(yàn)證一下：

class CounterThread extends Thread {
    private Counter counter;

    public CounterThread(String name, Counter counter) {
        super(name);
        this.counter = counter;
    }
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",value=" + counter.add());
    }
}
public class Counter {
    private static int value;

    public static int add() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  begin add");
        try {
            Thread.sleep(2000); // 線程sleep時(shí)會讓出cpu，但不會釋放鎖
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  has sleep 2000 ms");
        return value++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Counter counter1 = new Counter();
        Counter counter2 = new Counter();
        CounterThread thread1 = new CounterThread("thread1", counter1);
        CounterThread thread2 = new CounterThread("thread2", counter2);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè)線程類，其中有一個(gè)Counter類的引用，用于執(zhí)行add操作。

當(dāng)前，add方法并沒有加synchronized關(guān)鍵字，線程進(jìn)入后，會休眠2秒鐘，讓出cpu讓其他線程執(zhí)行。

執(zhí)行結(jié)果如下：

thread1  begin add
thread2  begin add
thread1  has sleep 2000 ms
thread1,value=0
thread2  has sleep 2000 ms
thread2,value=1

可以看出，thread2在thread1沒有執(zhí)行休眠完成前就進(jìn)入了add方法，兩個(gè)線程交替執(zhí)行。

我們使用synchronized方法修飾add方法，再看看效果：

public static synchronized int add() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  begin add");
        ……
        return value++;
    }

執(zhí)行結(jié)果如下：

thread2  begin add
thread2  has sleep 2000 ms
thread2,value=0
thread1  begin add
thread1  has sleep 2000 ms
thread1,value=1

可以看出，thread1在thread2退出add方法后，才進(jìn)入，兩個(gè)線程是同步的。雖然，兩個(gè)線程中的Counter引用并不是同一個(gè)對象，但是由于add方法是靜態(tài)方法，因此該類的所有對象的add方法都將被鎖定，只有獲得鎖才可以進(jìn)入。

修飾代碼塊
效果如下：

public class Counter {
    private int value;

    public  int add() {
        synchronized (this) {
            return value++;
        }
    }
}

被synchronized修飾的代碼塊需要獲得鎖才可以進(jìn)入。效果與修飾方法相同，但是加鎖的粒度更細(xì)，可以只將存在競態(tài)條件的臨界區(qū)加鎖，其他不需要同步的代碼不加鎖，這樣可以提高多線程的并發(fā)執(zhí)行效率。

synchronized (this)中，this關(guān)鍵字指代當(dāng)前對象，意味著，線程在執(zhí)行該對象時(shí)，需要取得鎖。

另外，還可以寫synchronized (Counter.class)，將使線程在執(zhí)行Counter類的所有對象時(shí)，都將競爭鎖。

無論是修飾方法還是代碼塊，都存在著對象鎖和類鎖的概念，對象鎖只對執(zhí)行該對象的線程有效，對不執(zhí)行該對象的線程無效；類鎖則對執(zhí)行該類的所有對象的線程都有效。

打個(gè)比方，我們的家里有一個(gè)大門，進(jìn)到家里每個(gè)房間都有自己的小門，大門有一把大鎖，用于控制所有人的進(jìn)入，每個(gè)小門的鎖只控制進(jìn)入該房間的人。大門的鎖相當(dāng)于類鎖，房間的鎖相當(dāng)于對象鎖，進(jìn)入家里的人就是一個(gè)個(gè)的線程。

大門

房間門

四.實(shí)現(xiàn)

看起來，synchronized的使用非常簡單，那么背后的實(shí)現(xiàn)原理是什么樣的呢？

java虛擬機(jī)是通過Java對象頭和monitor這兩者結(jié)合來實(shí)現(xiàn)synchronized同步的。

java對象頭

jvm堆中創(chuàng)建的每個(gè)對象都包含以下幾個(gè)區(qū)域：

java對象結(jié)構(gòu)

對象頭：記錄了對象的hash碼、鎖信息、分代信息等；
實(shí)例變量：存儲了對象中的屬性信息；
填充數(shù)據(jù)：由于虛擬機(jī)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。為了字節(jié)對齊，有時(shí)需要做字節(jié)填充

我們重點(diǎn)看對象頭部分，對象頭占2個(gè)字的內(nèi)存空間（數(shù)組對象占3個(gè)字，多出來的一個(gè)字記錄數(shù)組長度），包含以下兩個(gè)部分信息：

Mark Word:存儲對象的hashCode、鎖信息或分代年齡或GC標(biāo)志等信息。
Class Metadata Address:類型指針指向?qū)ο蟮念愒獢?shù)據(jù)，JVM通過這個(gè)指針確定該對象是哪個(gè)類的實(shí)例。

考慮到JVM的空間效率，Mark Word 被設(shè)計(jì)成為一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便存儲更多有效的數(shù)據(jù)，它會根據(jù)對象本身的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲空間。32位的jvm，隨著對象的狀態(tài)不同，可能的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

Mark Word

其中，輕量級鎖和偏向鎖是jdk 6.0新增的，之前只有重量級鎖，當(dāng)鎖狀態(tài)為重量級鎖時(shí)，其中指針指向的是monitor對象，每個(gè)對象都存在著一個(gè)monitor對象與之關(guān)聯(lián)。

monitor

在jvm中，monitor是由ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)的（位于HotSpot虛擬機(jī)源碼ObjectMonitor.hpp文件，C++實(shí)現(xiàn)的），其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //記錄個(gè)數(shù)
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; // 指向持有該對象的線程
    _WaitSet      = NULL; //處于wait狀態(tài)的線程，會被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會被加入到該列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor中有兩個(gè)隊(duì)列，_WaitSet 和 _EntryList，用來保存ObjectWaiter對象列表( 每個(gè)等待鎖的線程都會被封裝成ObjectWaiter對象)，_owner指向持有ObjectMonitor對象的線程，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問一段同步代碼時(shí)，首先會進(jìn)入 _EntryList 集合，當(dāng)線程獲取到對象的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)。

在了解了對象頭和monitor之后，我們再來看synchronized加鎖的實(shí)現(xiàn)原理：

• 當(dāng)一個(gè)線程想要進(jìn)入synchronized代碼塊或者被synchronized修飾的方法時(shí)，就會改變對象頭中鎖狀態(tài)，并設(shè)置monitor指針指向monitor對象；
• 所有想要獲得鎖的線程首先會被放到_EntryList列表中；
• 先判斷monitor對象中的_count字段是否為0，如果為0，則說明當(dāng)前對象沒有被其他線程占用，將_count加1，,將_owner指向當(dāng)前線程；
• 當(dāng)線程執(zhí)行完畢，需要釋放鎖時(shí)，再將_count減1，將_owner置為null；
• 在某個(gè)線程已經(jīng)取得鎖，并且還沒有釋放時(shí)，如果有其他線程嘗試獲得鎖，就會被添加到_EntryList列表中，被阻塞，直到鎖被釋放再根據(jù)某種策略允許阻塞的線程進(jìn)入。

至于類鎖，個(gè)人理解加鎖過程中操作的是類對應(yīng)的Class對象。

五.jvm對synchronized的優(yōu)化

由于monitor是依賴于操作系統(tǒng)底層的Mutex Lock來實(shí)現(xiàn)的，而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換時(shí)需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時(shí)間，時(shí)間成本相對較高。在jdk 1.6之前，synchronized就屬于這種重量級鎖，需要經(jīng)常進(jìn)行用戶態(tài)到核心態(tài)的切換，效率不高，因此1.6中對synchronized進(jìn)行了優(yōu)化，引入了偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖等概念。

偏向鎖

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，因此為了減少同一線程獲取鎖(會涉及到一些CAS操作,耗時(shí))的代價(jià)而引入偏向鎖。偏向鎖的核心思想是，如果一個(gè)線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)，當(dāng)這個(gè)線程再次請求鎖時(shí)，無需再做任何同步操作，即獲取鎖的過程，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請的操作，從而也就提供程序的性能。

輕量級鎖

倘若偏向鎖失敗，虛擬機(jī)并不會立即升級為重量級鎖，它還會嘗試使用一種稱為輕量級鎖的優(yōu)化手段(1.6之后加入的)，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級鎖的結(jié)構(gòu)。輕量級鎖能夠提升程序性能的依據(jù)是“對絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都不存在競爭”，注意這是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要了解的是，輕量級鎖所適應(yīng)的場景是線程交替執(zhí)行同步塊的場合，如果存在同一時(shí)間訪問同一鎖的場合，就會導(dǎo)致輕量級鎖膨脹為重量級鎖。

如下圖所示：

鎖升級

自旋鎖

輕量級鎖失敗后，虛擬機(jī)為了避免線程真實(shí)地在操作系統(tǒng)層面掛起，還會進(jìn)行一項(xiàng)稱為自旋鎖的優(yōu)化手段。這是基于在大多數(shù)情況下，線程持有鎖的時(shí)間都不會太長，如果直接掛起操作系統(tǒng)層面的線程可能會得不償失，畢竟操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換時(shí)需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時(shí)間，時(shí)間成本相對較高，因此自旋鎖會假設(shè)在不久將來，當(dāng)前的線程可以獲得鎖，因此虛擬機(jī)會讓當(dāng)前想要獲取鎖的線程做幾個(gè)空循環(huán)(這也是稱為自旋的原因)，一般不會太久，可能是50個(gè)循環(huán)或100循環(huán)，在經(jīng)過若干次循環(huán)后，如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)。如果還不能獲得鎖，那就會將線程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式，這種方式確實(shí)也是可以提升效率的。最后沒辦法也就只能升級為重量級鎖了。

我們上面說到，鎖一共有四種狀態(tài)：無鎖狀態(tài)，偏向鎖狀態(tài)，輕量級鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)，它們會隨著競爭情況逐漸升級，但是不能夠降級。

鎖升級的過程大概是這樣的，剛開始處于無鎖狀態(tài)，當(dāng)線程第一次申請時(shí)，會先進(jìn)入偏向鎖狀態(tài)，然后如果出現(xiàn)鎖競爭，就會升級為輕量級鎖（這升級過程中可能會牽扯自旋鎖），如果輕量級鎖還是解決不了問題，則會進(jìn)入重量級鎖狀態(tài)，從而徹底解決并發(fā)的問題。

參考資料：

• 《java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》
• 競態(tài)條件與臨界區(qū)
• 深入理解Java并發(fā)之synchronized實(shí)現(xiàn)原理
• Java中的鎖機(jī)制 synchronized & 偏向鎖 & 輕量級鎖 & 重量級鎖 & 各自優(yōu)缺點(diǎn)及場景 & AtomicReference

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