Synchronized 关键字

锁分类

锁分为乐观锁、悲观锁。

乐观锁的意义是认为读多写少，遇到并发的可能性低，每次去获取数据都认为没有其他线程去修改，所以不会上锁，只是再更新的时候判断在此期间是否有其他线程去修改了数据，一般采用的是先读出当前版本号，然后利用CAS去更新数据。

悲观锁则是认为写多读少，遇到并发的可能性高，每次去读写数据时，都会上锁。使得锁持有的时候，其他线程想要操作会被阻塞。而Synchronized则是悲观锁的具体实现。

Synchronized 持有锁其实是获取对象的锁。而Synchronized 锁又分为类锁和实例锁。类锁的范围包括类对象和类的实例对象。而实例锁只是实例对象。

主要形式以下三种：

普通同步方法，锁的是当前实例对象。
静态同步方法，锁的是当前类的class对象。
同步方法块，锁的是Synchorinezd括号里配置的对象。

测试

加在对象方法前，锁住整个方法，这种使用方法，主要是用来锁住同一对象的，假设现在有两个不同的对象，调用这个方法，那么关键字synchornized关键字不会起到作用。

private synchronized void syncMethod() throws Exception {
    for (int i = 0; i < 50; i++){
        count++;
        Thread.sleep(50);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + count);
    }
}

synchronized关键字加在类方法前：因为synchronized加在类方法前，代表的意思是锁住整个类。在不同的线程中，调用同步方法是互斥的。

private static void oneObjTestSyncStaticMethod() throws Exception {
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        Thread thread = new Thread();
        thread.start();
        syncStaticMethod1();
        syncStaticMethod2();
    }
}

private static synchronized void syncStaticMethod1() throws Exception {
    for (int i = 0; i < 50; i++){
        count++;
        Thread.sleep(50);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "1:" + count);
    }
}


private static synchronized void syncStaticMethod2() throws Exception {
    for (int i = 0; i < 50; i++){
        count++;
        Thread.sleep(50);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "2:" + count);
    }
}

加在代码块里：锁的是Synchorinezd括号里配置的对象

// 锁的是当前对象实例
private static synchronized void syncStaticMethod1() throws Exception {
    synchronized(this) {
        for (int i = 0; i < 50; i++){
            count++;
            Thread.sleep(50);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "1:" + count);
        }
    }
}

// 锁的是当前类
private static synchronized void syncStaticMethod2() throws Exception {
    synchronized(xxx.class) {
        for (int i = 0; i < 50; i++){
            count++;
            Thread.sleep(50);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "2:" + count);
        }
    }
}

Synchronized 锁实现原理

对象结构

Synchronized 锁对象实例时，是通过对象的对象头实现的，下面就先介绍下对象实例结构。

对象实例的结构：64位虚拟机前提下

对象头：16个字节（开启指针压缩则为12个字节）
- MarkWord：占8字节，存储对象自身运行时数据，哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。总共占64bit（64位虚拟机），下面会重点介绍。
- klass：占8个字节，对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类实例。（开启指针压缩则为4个字节）
- 数组长度：如果对象是数组的话，那么对象头中存在一块区域记录数组长度。占4个字节，数组对象头8字节(对象引用4字节（未开启指针压缩的64位为8字节）+ 数组markword为4字节（64位未开启指针压缩的为8字节）) + 对齐4=16字节。
对象（数组）实际数据：对象实例的有效信息。
对齐填充：规定对象起始地址必须时8字节的整数倍，就是说对象的大小必须时8字节的整数倍，当整个对象的大小不是8字节的倍数，则会通过对其填充去补全。

锁升级过程

上面解释了Synchornized关键字主要的是通过对象头的MarkWord实现加锁过程。锁的升级过程大致分为4种状态。无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁。

无锁：当一个对象刚开始new出来时，该对象是无锁状态。此时偏向锁位为0，锁标志位01
偏向锁：当一个线程A访问临界区（同步块）时，如果获取锁成功，则会在对象头的MarkWord的线程ID修改为线程A的线程ID。
- 如果在接下来的运行过程中，该锁没有被其他线程访问，则持有偏向锁的线程将永远不会触发同步。偏向锁在资源无竞争的情况下消除了同步语句，不会执行CAS操作。
- 如果被其他线程访问，表示存在着线程竞争偏向锁。如果这个竞争线程为线程B，这个时候会使用CAS替换MarkWord的线程ID为线程B的线程ID。
  - 如果CAS成功，表示之前的线程A已经不存在，MarkWord的线程ID修改为线程B。
  - 如果CAS失败，表示之前线程仍然存在，那么暂停之前线程，设置线程偏向锁标志为0，锁标志为00，升级为轻量级锁。
- 撤销偏向锁：等到竞争出现才会释放锁的机制，当升级为轻量级锁时，首先会撤销偏向锁。
轻量级锁

JVM的开发者发现在很多情况下，在Java程序运行时，同步块中的代码都是不存在竞争的，不同的线程交替的执行同步块中的代码。
- 自旋定义：在两个线程同时获取锁时，线程A和线程B就存在竞争，如果锁被线程B获取到，那么当前线程A就会采用等待线程B释放锁，然后再去获取锁。当前自旋的时候，需要设置限度。不然就会导致线程A一直等待占用CPU。如果超过时间没有获取到，那么就会将线程A挂起。
- 加锁过程：
  - JVM会为每个线程在当前线程栈帧中创建用于存储锁记录的空间，称为Displaced MarkWord。如果一个线程获得锁的时候发现是轻量级锁，会把锁的MarkWord复制到当前线程的Displaced MarkWord里面。
  - 然后线程尝试用CAS将锁的Mark Word替换为指向锁记录的地址指针。如果成功，当前线程获得锁。
  - 如果失败且当前线程已经持有了该锁，代表这是一次锁重入，设置Displaced MarkWord为null，起到一个重入计数器的作用，然后结束。
  - 如果失败且当前线程没有持有该锁，表示MarkWord已经被替换成了其他线程的锁记录，存在其他线程竞争，当前线程采取使用自旋来获取锁。自旋太久也不好，可以设置自旋次数。超过自旋次数还未获取到锁，则进入阻塞状态。同时这个锁被升级为重量级锁。
- 释放锁过程：上述的CAS操作失败时，会释放锁并唤醒阻塞的线程。
重量级锁

重量级锁依赖操作系统的互斥量（mutex）实现，而操作系统中线程间状态的转换需要相对比较长的时间。所以效率低，但是阻塞的线程不会消耗CPU。
- 重量级锁的状态下，对象的mark word为指向一个堆中monitor对象的指针。一个monitor对象包括这么几个关键字段：cxq（下图中的ContentionList），EntryList ，WaitSet，owner。其中cxq ，EntryList ，WaitSet都是由ObjectWaiter的链表结构，owner指向持有锁的线程。
- 当一个线程尝试获得锁时，如果该锁已经被占用，则会将该线程封装成一个ObjectWaiter对象插入到ContentionList的队列尾部，然后暂停当前线程。当持有锁的线程释放锁前，会将ContentionList中的所有元素移动到EntryList中去，并唤醒EntryList的队首线程。
- 如果一个线程在同步块中调用了Object#wait方法，会将该线程对应的ObjectWaiter从EntryList移除并加入到WaitSet中，然后释放锁。当wait的线程被notify之后，会将对应的ObjectWaiter从WaitSet移动到EntryList中。

Synchronized 分析

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锁分类

测试

Synchronized 锁实现原理

对象结构

锁升级过程

锁优缺点对比

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