深入理解 Java 并发之 synchronized 实现原理

synchronized底层语义原理

理解Java对象头与Monitor

• synchronized代码块底层原理

• synchronized方法底层原理

• Java虚拟机对synchronized的优化

• 偏向锁

• 轻量级锁

• 自旋锁

• 锁消除

关于synchronized 可能需要了解的关键点

synchronized的可重入性

• 线程中断与synchronized

• 线程中断

• 中断与synchronized

• 等待唤醒机制与synchronized
  

线程安全是并发编程中的重要关注点，应该注意到的是，造成线程安全问题的主要诱因有两点，一是存在共享数据(也称临界资源)，二是存在多条线程共同操作共享数据。因此为了解决这个问题，我们可能需要这样一个方案，当存在多个线程操作共享数据时，需要保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据，其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行，这种方式有个高尚的名称叫互斥锁，即能达到互斥访问目的的锁，也就是说当一个共享数据被当前正在访问的线程加上互斥锁后，在同一个时刻，其他线程只能处于等待的状态，直到当前线程处理完毕释放该锁。在 Java 中，关键字 synchronized可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)，同时我们还应该注意到synchronized另外一个重要的作用，synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到（保证可见性，完全可以替代Volatile功能），这点确实也是很重要的。

synchronized的三种应用方式

synchronized关键字最主要有以下3种应用方式，下面分别介绍

• 修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁

• 修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

• 修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

synchronized作用于实例方法

所谓的实例对象锁就是用synchronized修饰实例对象中的实例方法，注意是实例方法不包括静态方法，如下

1. public class AccountingSync implements Runnable{
      //共享资源(临界资源)
2.    static int i=0;    
      
      /**
3.     * synchronized 修饰实例方法
4.     */
5.    public synchronized void increase(){
6.        i++;
7.    }
8.    @Override
9.    public void run() {
         for(int j=0;j<1000000;j++){
10.            increase();
11.        }
12.    }
13.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
14.        AccountingSync instance=new AccountingSync();
15.        Thread t1=new Thread(instance);
16.        Thread t2=new Thread(instance);
17.        t1.start();
18.        t2.start();
19.        t1.join();
20.        t2.join();
21.        System.out.println(i);
22.    }    
       /**
23.     * 输出结果:
24.     * 2000000
25.     */
    }

1. public class AccountingSyncBad implements Runnable{
2.    static int i=0;
3.    public synchronized void increase(){
4.        i++;
5.    }
6.    @Override
7.    public void run() {
          for(int j=0;j<1000000;j++){
8.            increase();
9.        }
10.    }
11.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
           //new新实例
12.        Thread t1=new Thread(new AccountingSyncBad());        
           //new新实例
13.        Thread t2=new Thread(new AccountingSyncBad());
14.        t1.start();
15.        t2.start();        
           //join含义:当前线程A等待thread线程终止之后才能从thread.join()返回
16.        t1.join();
17.        t2.join();
18.        System.out.println(i);
19.    }
20. }

synchronized作用于静态方法

当synchronized作用于静态方法时，其锁就是当前类的class对象锁。由于静态成员不专属于任何一个实例对象，是类成员，因此通过class对象锁可以控制静态 成员的并发操作。需要注意的是如果一个线程A调用一个实例对象的非static synchronized方法，而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的class对象，而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁，看如下代码

1. public class AccountingSyncClass implements Runnable{
2.    static int i=0;
   
      /**
3.     * 作用于静态方法,锁是当前class对象,也就是
4.     * AccountingSyncClass类对应的class对象
5.     */
6.    public static synchronized void increase(){
7.        i++;
8.    }    
      
      /**
9.     * 非静态,访问时锁不一样不会发生互斥
10.     */
11.    public synchronized void increase4Obj(){
12.        i++;
13.    }
15.    @Override
16.    public void run() {
           for(int j=0;j<1000000;j++){
17.            increase();
18.        }
19.    }
20.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        
           //new新实例
21.        Thread t1=new Thread(new AccountingSyncClass());        
           //new心事了
22.        Thread t2=new Thread(new AccountingSyncClass());        
           //启动线程
23.        t1.start();t2.start();
25.        t1.join();t2.join();
26.        System.out.println(i);
27.    }
28. }

synchronized同步代码块

除了使用关键字修饰实例方法和静态方法外，还可以使用同步代码块，在某些情况下，我们编写的方法体可能比较大，同时存在一些比较耗时的操作，而需要同步的代码又只有一小部分，如果直接对整个方法进行同步操作，可能会得不偿失，此时我们可以使用同步代码块的方式对需要同步的代码进行包裹，这样就无需对整个方法进行同步操作了，同步代码块的使用示例如下：

1. public class AccountingSync implements Runnable{
2.    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
3.    static int i=0;
4.    @Override
5.    public void run() {
          //省略其他耗时操作....
6.        //使用同步代码块对变量i进行同步操作,锁对象为instance
7.        synchronized(instance){          
            for(int j=0;j<1000000;j++){
8.                    i++;
9.              }
10.        }
11.    }
12.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
13.        Thread t1=new Thread(instance);
14.        Thread t2=new Thread(instance);
15.        t1.start();t2.start();
16.        t1.join();t2.join();
17.        System.out.println(i);
18.    }
19. }

1. //this,当前实例对象锁
   synchronized(this){
      for(int j=0;j<1000000;j++){
2.        i++;
3.    }
4. }
      
   //class对象锁
   synchronized(AccountingSync.class){
      for(int j=0;j<1000000;j++){
5.        i++;
6.    }
7. }

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。在 Java 语言中，同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修饰的同步方法。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。

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：

• 实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

• 填充数据：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，这点了解即可。

而对于顶部，则是Java头对象，它实现synchronized的锁对象的基础，这点我们重点分析它，一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的，jvm中采用2个字来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)，其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address 组成，其结构说明如下表：

其中Mark Word在默认情况下存储着对象的HashCode、分代年龄、锁标记位等以下是32位JVM的Mark Word默认存储结构

由于对象头的信息是与对象自身定义的数据没有关系的额外存储成本，因此考虑到JVM的空间效率，Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构，以便存储更多有效的数据，它会根据对象本身的状态复用自己的存储空间，如32位JVM下，除了上述列出的Mark Word默认存储结构外，还有如下可能变化的结构：

其中轻量级锁和偏向锁是Java 6 对 synchronized 锁进行优化后新增加的，稍后我们会简要分析。这里我们主要分析一下重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁，锁标识位为10，其中指针指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。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，其主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）

1. ObjectMonitor() {
2.    _header       = NULL;
3.    _count        = 0; //记录个数
4.    _waiters      = 0,
5.    _recursions   = 0;
6.    _object       = NULL;
7.    _owner        = NULL;
8.    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
9.    _WaitSetLock  = 0 ;
10.    _Responsible  = NULL ;
11.    _succ         = NULL ;
12.    _cxq          = NULL ;
13.    FreeNext      = NULL ;
14.    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
15.    _SpinFreq     = 0 ;
16.    _SpinClock    = 0 ;
17.    OwnerIsThread = 0 ;
18.  }

由此看来，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)，ok~，有了上述知识基础后，下面我们将进一步分析synchronized在字节码层面的具体语义实现。

synchronized代码块底层原理

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

1. public class SyncCodeBlock {
3.   public int i;
5.   public void syncTask(){
         //同步代码库
6.       synchronized (this){
7.           i++;
8.       }
9.   }
10. }

1. Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncCodeBlock.class
2.  Last modified 2017-6-2; size 426 bytes
3.  MD5 checksum c80bc322c87b312de760942820b4fed5
4.  Compiled from "SyncCodeBlock.java"
   public class com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock
5.  minor version: 0
6.  major version: 52
7.  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
8. Constant pool:
    //........省略常量池中数据
9.  //构造函数
10.  public com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock();
11.    descriptor: ()V
12.    flags: ACC_PUBLIC
13.    Code:
14.      stack=1, locals=1, args_size=1
15.         0: aload_0
            1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
16.         4: return
17.      LineNumberTable:
18.        line 7: 0
19.  //===========主要看看syncTask方法实现================
20.  public void syncTask();
21.    descriptor: ()V
22.    flags: ACC_PUBLIC
23.    Code:
24.      stack=3, locals=3, args_size=1
25.         0: aload_0
            1: dup        
            2: astore_1        
            3: monitorenter  //注意此处，进入同步方法
26.         4: aload_0        
            5: dup        
            6: getfield      #2             // Field i:I
27.         9: iconst_1        
            10: iadd        
            11: putfield      #2            // Field i:I
28.         14: aload_1        
            15: monitorexit   //注意此处，退出同步方法
29.         16: goto          24
30.         19: astore_2        
            20: aload_1        
            21: monitorexit //注意此处，退出同步方法
31.         22: aload_2        
            23: athrow        
            24: return
32.      Exception table:      
         //省略其他字节码.......
    }
33. SourceFile: "SyncCodeBlock.java"

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

synchronized方法底层原理

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。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：

1. public class SyncMethod {
3.   public int i;
5.   public synchronized void syncTask(){
6.           i++;
7.   }
8. }

1. Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncMethod.class
2.  Last modified 2017-6-2; size 308 bytes
3.  MD5 checksum f34075a8c059ea65e4cc2fa610e0cd94
4.  Compiled from "SyncMethod.java"
   public class com.zejian.concurrencys.SyncMethod
5.  minor version: 0
6.  major version: 52
7.  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
8. Constant pool;  
   
    //省略没必要的字节码
9.  //==================syncTask方法======================
10.  public synchronized void syncTask();
11.    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
12.    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
13.    Code:
14.      stack=3, locals=1, args_size=1
15.         0: aload_0
            1: dup        
            2: getfield      #2                  // Field i:I
16.         5: iconst_1        
            6: iadd        
            7: putfield      #2                  // Field i:I
17.        10: return
18.      LineNumberTable:
19.        line 12: 0
20.        line 13: 10}
21. SourceFile: "SyncMethod.java"

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，如需了解详细过程可以查阅《深入理解Java虚拟机原理》。

偏向锁

偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，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(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。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。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。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，否则会得不偿失，需要注意的是，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。下面我们接着了解轻量级锁。

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。

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。

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StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer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。

1. /**
2. * Created by zejian on 2017/6/4.
3. * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian [原文地址,请尊重原创]
4. * 消除StringBuffer同步锁
5. */
   public class StringBufferRemoveSync {
7.    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
8.        //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
9.        StringBuffer sb = new StringBuffer();
10.        sb.append(str1).append(str2);
11.    }
13.    public static void main(String[] args) {
14.        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
           for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
15.            rmsync.add("abc", "123");
16.        }
17.    }
19. }

关于synchronized 可能需要了解的关键点

synchronized的可重入性

1. public class AccountingSync implements Runnable{
2.    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
3.    static int i=0;
4.    static int j=0;
5.    @Override
6.    public void run() {
          for(int j=0;j<1000000;j++){            
              
              //this,当前实例对象锁
7.            synchronized(this){
8.                i++;
9.                increase();//synchronized的可重入性
10.            }
11.        }
12.    }
14.    public synchronized void increase(){
15.        j++;
16.    }
18.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
19.        Thread t1=new Thread(instance);
20.        Thread t2=new Thread(instance);
21.        t1.start();t2.start();
22.        t1.join();t2.join();
23.        System.out.println(i);
24.    }
25. }

线程中断与synchronized

线程中断

正如中断二字所表达的意义，在线程运行(run方法)中间打断它，在Java中，提供了以下3个有关线程中断的方法

//中断线程（实例方法）
public void Thread.interrupt();

//判断线程是否被中断（实例方法）
public boolean Thread.isInterrupted();

//判断是否被中断并清除当前中断状态（静态方法）
public static boolean Thread.interrupted();

1. public class InterruputSleepThread3 {
2.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
3.        Thread t1 = new Thread() {
4.            @Override
5.            public void run() {
                  //while在try中，通过异常中断就可以退出run循环
6.                try {              
                       while (true) {                        
                           //当前线程处于阻塞状态，异常必须捕捉处理，无法往外抛出
7.                        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
8.                    }
9.                } catch (InterruptedException e) {
10.                    System.out.println("Interruted When Sleep");
11.                    boolean interrupt = this.isInterrupted();                    //中断状态被复位
12.                    System.out.println("interrupt:"+interrupt);
13.                }
14.            }
15.        };
16.        t1.start();
17.        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);        
            //中断处于阻塞状态的线程
18.        t1.interrupt();        
           
            /**
19.         * 输出结果:
20.           Interruted When Sleep
21.           interrupt:false
22.         */
23.    }
24. }

1. public class InterruputThread {
2.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
3.        Thread t1=new Thread(){
4.            @Override
5.            public void run(){
                  while(true){
6.                    System.out.println("未被中断");
7.                }
8.            }
9.        };
10.        t1.start();
11.        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
12.        t1.interrupt();        
         
          /**
13.         * 输出结果(无限执行):
14.             未被中断
15.             未被中断
16.             未被中断
17.             ......
18.         */
19.    }
20. }

1. public class InterruputThread {
2.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
3.        Thread t1=new Thread(){
4.            @Override
5.            public void run(){
                  while(true){                    
                      //判断当前线程是否被中断
6.                    if (this.isInterrupted()){
7.                        System.out.println("线程中断");
                          break;
8.                    }
9.                }
11.                System.out.println("已跳出循环,线程中断!");
12.            }
13.        };
14.        t1.start();
15.        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
16.        t1.interrupt();        
           /**
17.         * 输出结果:
18.            线程中断
19.            已跳出循环,线程中断!
20.         */
21.    }
22. }

1. public void run(){
      try {
     //判断当前线程是否已中断,注意interrupted方法是静态的,执行后会对中断状态进行复位
2.    while (!Thread.interrupted()) {
3.        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
4.    }
5.    } catch (InterruptedException e) {
7.    }
8. }

事实上线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用，也就是对于synchronized来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种，要么它获得这把锁继续执行，要么它就保存等待，即使调用中断线程的方法，也不会生效。演示代码如下

我们在SynchronizedBlocked构造函数中创建一个新线程并启动获取调用f()获取到当前实例锁，由于SynchronizedBlocked自身也是线程，启动后在其run方法中也调用了f()，但由于对象锁被其他线程占用，导致t线程只能等到锁，此时我们调用了t.interrupt();但并不能中断线程。

等待唤醒机制与synchronized

所谓等待唤醒机制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。

1. synchronized (obj) {
2.       obj.wait();
3.       obj.notify();
4.       obj.notifyAll();        
5. }

ok~，篇幅已比较长了，关于synchronized，我们就暂且聊到这。如有错误，欢迎指正，谢谢。

本篇的主要参考资料：

• 《Java编程思想》

• 《深入理解Java虚拟机》

• 《实战Java高并发程序设计》

本文来自于CSDN博客，作者：zejian_，原文：http://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483#t5
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