文章目录

一、synchronized 实现同步示例
二、synchronized 典型错误示例
三、Java 对象头与 Monitor
四、synchronized代码块底层原理
五、synchronized方法底层原理
六、Java虚拟机对synchronized的优化

一、synchronized 实现同步示例

public class MyThread extends Thread{
    
    

	private int count = 0;
	@ Override
	public synchronized void run() {
    
    
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
    
    
			try {
    
    
				System.out.println("线程名:"+Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
			} catch (InterruptedException e) {
    
    
					e.printStackTrace();
          	}
		}
	}
}

public class MyTest
	public static void main(String[] args) {
    
    
		MyThread myThread = new MyThread();
        Thread thread1 = new Thread( myThread, "SyncThread1");
     	Thread thread2 = new Thread( myThread, "SyncThread2");
        thread1.start();
    	thread2.start();
    }
}

在这里插入图片描述
分析：

通过new MyThread()创建了一个对象myThread，这时候堆中就存在了共享资源myThread，然后对myThread对象创建两个线程，那么thread1线程和thread2线程就会共享myThread。thread1.start()和thead2.start()开启了两个线程，CPU会随机调度这两个线程。假如thread1先获得synchronized锁，那么thread1先把run()执行完，然后释放锁。接着thread1获得synchronized锁，thread2把run()执行完，然后释放锁。

二、synchronized 典型错误示例

public class MyThread implements Runnable{
    
    
	private int count = 0;
	@ Override
	public synchronized void run() {
    
    
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
    
    
			try {
    
    
				System.out.println("线程名:"+Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
			} catch (InterruptedException e) {
    
    
					e.printStackTrace();
          	}
		}
	}
}

public class MyTest
	public static void main(String[] args) {
    
    
        System.out.println("使用关键字synchronized每次调用进行new SyncThread()");
        MyThread myThread1 = new MyThread();
        MyThread myThread2 = new MyThread();
        Thread thread1 = new Thread(myThread1, "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread(myThread2, "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

在这里插入图片描述
分析：

通过new MyThread()创建了两个对象myThread1和myThread2，这时候堆中就存在了共享资源myThread1和myThread2，然后对myThread1对象创建一个线程thread1，对myThread2对象创建一个线程thread2，那么thread1线程就会共享myThread1，thread2线程就会共享myThread2，thread1.start()和thead2.start()开启了两个线程，CPU会随机调度这两个线程。那么thread1线程在执行的时候就会获取共享资源myThread1.run()的锁，thread2线程在执行的时候就会获取共享资源myThread2.run()的锁，显然两个线程共享的都不是同一个资源。

三、Java 对象头与 Monitor

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。

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、填充数据
在这里插入图片描述

实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息.
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。

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：
在这里插入图片描述
其中Mark Word字段的存储结构会根据锁状态而发生变化：

这里我们重点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）

ObjectMonitor() {
    
    
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet（等待状态）和 _EntryList（阻塞状态），都是用来保存ObjectWaiter对象列表（ _WaitSet和 _EntryList中的线程都会被封装成ObjectWaiter对象），_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入_EntryList集合，当线程获取到对象的monitor 后进入_Owner区域，并把monitor中的owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器count加1，若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。
在这里插入图片描述

四、synchronized代码块底层原理

public class SyncCodeBlock {
    
    

   public int i;

   public void syncTask(){
    
    
       //同步代码库
       synchronized (this){
    
    
           i++;
       }
   }
}

编译上述代码并使用javap反编译后得到字节码如下(这里我们省略一部分没有必要的信息)：

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

我们主要关注字节码中的如下代码

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

从字节码中可知同步语句块的实现使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令，其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置，当执行monitorenter指令时，当前线程将试图获取 objectref(即对象锁) 所对应的 monitor 的持有权，当 objectref 的 monitor 的进入计数器为 0，那线程可以成功取得 monitor，并将计数器值设置为 1，取锁成功。如果当前线程已经拥有 objectref 的 monitor 的持有权，那它可以重入这个 monitor(关于重入性稍后会分析)，重入时计数器的值也会加 1。倘若其他线程已经拥有 objectref 的 monitor 的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行线程执行完毕，即monitorexit指令被执行，执行线程将释放 monitor(锁)并设置计数器值为0 ，其他线程将有机会持有 monitor 。值得注意的是编译器将会确保无论方法通过何种方式完成，方法中调用过的每条 monitorenter 指令都有执行其对应 monitorexit 指令，而无论这个方法是正常结束还是异常结束。为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令，它就是异常结束时被执行的释放monitor 的指令。

五、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。

补充：“获取monitor” 在第四点提到过，就是把monitor中owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器count加1

六、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、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（自动的），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。、

偏向锁
锁偏向是一种针对加锁操作的优化手段。它的核心思想是：如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式。当这个线程再次请求锁时，无须再做任何同步操作。这样就节省了大量有关锁申请的操作，从而提高了程序性能。

因此，对于几乎没有锁竞争的场合，偏向锁有比较好的优化效果，因为连续多次极有可能是同一个线程请求相同的锁。而对于锁竞争比较激烈的场合，其效果不佳。因为在竞争激烈的场合，最有可能的情况是每次都是不同的线程来请求相同的锁。这样偏向模式会失效，因此还不如不启用偏向锁。

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不同的线程交替执行同一同步块的场合，如果存在不同线程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。

重量级锁
上述已经讲得 fi~ 常清楚了。

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。

/**
 * Created by zejian on 2017/6/4.
 * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian [原文地址,请尊重原创]
 * 消除StringBuffer同步锁
 */
public class StringBufferRemoveSync {
    
    

    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
        //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
    
    
            rmsync.add("abc", "123");
        }
    }
}

【并发编程】深入理解Java并发之synchronized实现原理