[Java知识库]synchronized 总结

Monitor 原理

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针。

Monitor 结构如下:

• 刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
• 当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个 Owner
• 在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入EntryList BLOCKED
• Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
• 图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲wait-notify 时会分析

注意：

• synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果
• 不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

synchronized 原理

public class SyncTest {
    public void syncBlock(){
        synchronized (this){
            System.out.println("hello block");
        }
    }
    public synchronized void syncMethod(){
        System.out.println("hello method");
    }
}

当SyncTest.java被编译成class文件的时候，synchronized代码块和synchronized方法的字节码略有不同，我们可以用javap -v 命令查看class文件对应的JVM字节码信息，部分信息如下：

{
  public void syncBlock();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter                       // monitorenter指令进入同步块
         4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         7: ldc           #3                  // String hello block
         9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        12: aload_1
        13: monitorexit                          // monitorexit指令退出同步块
        14: goto          22
        17: astore_2
        18: aload_1
        19: monitorexit                          // monitorexit指令退出同步块
        20: aload_2
        21: athrow
        22: return
      Exception table:
         from    to  target type
             4    14    17   any
            17    20    17   any


  public synchronized void syncMethod();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED      //添加了ACC_SYNCHRONIZED标记
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #5                  // String hello method
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return

}

对于synchronized代码块而言，javac在编译时，会生成对应的monitorenter和monitorexit指令分别对应synchronized同步块的进入和退出，有两个monitorexit指令的原因是为了保证抛异常的情况下也能释放锁，所以javac为同步代码块添加了一个隐式的try-finally，在finally中会调用monitorexit命令释放锁。

而对于synchronized方法而言，javac为其生成了一个ACC_SYNCHRONIZED关键字，在JVM进行方法调用时，发现调用的方法被ACC_SYNCHRONIZED修饰，则会先尝试获得锁。

synchronized 原理进阶

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

public static void method1() {
        synchronized (obj) {
            // 同步块 A
            method2();
        }
    }

    public static void method2() {
        synchronized (obj) {
            // 同步块 B
        }
    }

• 创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word

• 让锁记录中 Object reference指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录

• 如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下

• 如果 cas 失败，有两种情况
  • 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
  • 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
    
• 当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一

• 当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头
  • 成功，则解锁成功
  • 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

	static final Object obj = new Object();


    public static void method1() {
        synchronized (obj) {
        // 同步块
        }
    }

• 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

• 这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

  • 即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
  • 然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
    

• 当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

• 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
• 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
• Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。

偏向状态

一个对象创建时：

• 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的thread、epoch、age 都为 0
• 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 -
  XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
• 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值

测试偏向锁

class Dog {}

利用 jol 第三方工具来查看对象头信息

// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Dog d = new Dog();
        ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
        new Thread(() -> {
            log.debug("synchronized 前");
            System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
            synchronized (d) {
                log.debug("synchronized 中");
                System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
            }
            log.debug("synchronized 后");
            System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
        }, "t1").start();
    }

输出:

11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101

注意
处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

测试禁用

在上面测试代码运行时在添加 VM 参数-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向锁

输出：

11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

测试 hashCode

• 正常状态对象一开始是没有 hashCode 的，第一次调用才生成

撤销 - 调用对象 hashCode

调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销

• 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
• 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

在调用 hashCode 后使用偏向锁，记得去掉-XX:-UseBiasedLocking

输出

11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015 
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001

撤销 - 其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

private static void test2() throws InterruptedException {
        Dog d = new Dog();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (d) {
                log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            }
            synchronized (TestBiased.class) {
                TestBiased.class.notify();
            }
        }, "t1");
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (TestBiased.class) {
                try {
                    TestBiased.class.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            synchronized (d) {
                log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            }
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
        }, "t2");
        t2.start();
    }

输出：

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

撤销 - 调用 wait/notify

此时会发现，调用wait/notify，会使锁升级为重量级锁。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Dog d = new Dog();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            synchronized (d) {
                log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
                try {
                    d.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            }
        }, "t1");
        t1.start();
        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(6000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (d) {
                log.debug("notify");
                d.notify();
            }
        }, "t2").start();
    }

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101 
[t2] - notify 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010

批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID

当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程。

private static void test3() throws InterruptedException {
        Vector<Dog> list = new Vector<>();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 30; i++) {
                Dog d = new Dog();
                list.add(d);
                synchronized (d) {
                    log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
                }
            }
            synchronized (list) {
                list.notify();
            }
        }, "t1");
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (list) {
                try {
                    list.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            log.debug("===============> ");
            for (int i = 0; i < 30; i++) {
                Dog d = list.get(i);
                log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
                synchronized (d) {
                    log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
                }
                log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
            }
        }, "t2");
        t2.start();
    }

输出：可以发现20次以后重新偏向到新的线程。

[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
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批量撤销

当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

wait notify 原理

• Owner 线程发现条件不满足，调用 wait 方法，即可进入 WaitSet 变为 WAITING 状态
• BLOCKED 和 WAITING 的线程都处于阻塞状态，不占用 CPU 时间片
• BLOCKED 线程会在 Owner 线程释放锁时唤醒
• WAITING 线程会在 Owner 线程调用 notify 或 notifyAll 时唤醒，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入EntryList 重新竞争

什么时候会发生锁升级，锁降级？

偏向锁升级为轻量级锁：就是有不同的线程竞争锁时。具体来看就是当一个线程发现当前锁状态是偏向锁，然后锁对象存储的Thread id是其他线程的id，并且去Thread id对应的线程栈查询到的lock record的obj字段不为null（代表当前持有偏向锁的线程还在执行同步块）。那么该偏向锁就会升级成轻量级锁。

轻量级锁升级为重量级锁：就是在轻量级锁中，没有获取到锁的线程进行自旋，自旋到一定次数还没有获取到锁就会进行锁升级，因为自旋也是占用CPU的，长时间自旋也是很耗性能的。

锁降级因为如果没有多线程竞争，还是使用重量级锁会造成额外的开销，所以当JVM进入SafePoint安全点（可以简单的认为安全点就是所有用户线程都停止的，只有JVM垃圾回收线程可以执行）的时候，会检查是否有闲置的Monitor，然后试图进行降级。

偏向锁，轻量锁，重量锁的适用场景，优缺点是什么？

偏向锁：加锁解锁不需要进行CAS操作，适合一个线程多次访问同步块的场景。

轻量级锁：加锁和解锁使用CAS操作，没有像重量级锁那样底层操作系统的互斥量来加锁解锁，不涉及到用户态和内核态的切换和线程阻塞唤醒造成的线程上下文切换。没有获得锁的线程会自旋空耗CPU，造成一些开销。适合多线程竞争比较少，但是会有多线程交替执行的场景。

重量级锁：使用到了底层操作系统的互斥量来加锁解锁，但是会涉及到用户态和内核态的切换和线程阻塞和唤醒造成的线程上下文切换，但是不会自旋空耗CPU。