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synchronized原理

前边的文章中已经介绍了 synchronized 的基本用法，我们也知道了 synchronized 使用锁,来保证被锁定了代码同一时间只能有一个线程执行；那么 synchronized 关键字的实现原理是怎样的呢？

在《深入理解Java虚拟机》一书中，介绍了 HotSpot 虚拟机中，对象的内存布局分为三个区域：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐数据(Padding)。而对象头又分为两个部分“Mark Word”和类型指针，其中“Mark Word”包含了线程持有的锁。

因此， synchronized 锁，也是保存在对象头中。JVM基于进入和退出 Monitor 对象来实现 synchronized 方法和代码块的同步，对于方法和代码块的实现细节又有不同：

代码块，使用 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现； monitorenter 指令编译后，插入到同步代码块开始的位置， monitorexit 指令插入到方法同步代码块结束位置和异常处，JVM保证每个 monitorenter 必须有一个 monitorexit 指令与之对应。线程执行到 monitorenter 指令处时，会尝试获取对象对应的 Monitor 对象的所有权 (任何一个对象都有一个 Monitor 对象预制对应，当一个 Monitor 被持有后，它将处于锁定状态) 。
方法：在《深入理解Java虚拟机》同步指令一节中，关于方法级的同步描述如下：

方法级的同步是隐式的，即无需通过字节码指令来控制，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，执行线程将先持有管程，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)时释放管程。在方法执行期间，执行线程获取了管程，其他线程就无法获取管程。

2. Java对象头

上边的介绍中，我们知道 synchronized 锁存在在Java对象的对象头中，那么，什么是Java的对象头呢？

HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3个部分：对象头，实例数据和对齐填充。其中，实例数据部分是对象真正存储的有效信息，对齐填充并不是必然存在，虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，如果对象实例数据部分没有达到8字节的整数倍，需要对齐填充区来补全。

对象头包含两部分信息：Mark Word和类型指针。虚拟机通过类型指针确定这个对象是哪个类的实例。

Mark Word中主要包含了：哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标识、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这些信息在32位和64位虚拟机中，分别占32bit和64bit。如果对象是数组类型，则需要多一个字宽存储数组的长度。32位JVM的Mark Word默认存储结构如下表所示：

锁状态	25bit	4bit	1bit是否偏向锁	2bit锁标志位
无锁状态	对象的 hashCode	对象分代年龄	0	01

Mark Word中存储的数据会随着锁标志位的变化而变化：

锁状态	25bit		4bit	1bit	2bit
锁状态	23bit	2bit	4bit	是否是偏向锁	锁标志位
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针				00
重量级锁	指向互斥量(重量级锁)记录的指针				10
GC 标记	空				11
偏向锁	线程ID	Epoch	对象分代年龄	1	01

64为虚拟机中，Mark Work存储结构如下表所示：

锁状态	25bit	31bit	1bit(cms_free)	4bit 分代年龄	1bit 偏向锁	2bit 锁标志位
无锁	unused	hashCode			0	01
偏向锁	ThreadID(54bit) Epoch(2bit)				1	01

- 以上表格内容摘自《Java并发编程艺术》——方腾飞

3. 锁优化

上边介绍了 synchronized 锁，主要通过获取Monitor来获取锁，而获取和释放Monitor的成本会非常高，因为，线程之间需要进行用户态到内核态的切换。JDK 1.6为了减少获取锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，JDK 1.6中锁一共有4中状态依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。另外，还使用了很多的锁优化技术，如适应性自旋锁、锁消除、锁粗化等。

3.1 自旋锁和自适应自旋锁

首先，什么自旋锁？顾名思义就是一个线程不停的自旋（循环），以达到代码块只有一个线程执行的同步效果。那么为什么会引入自旋锁呢？因为在许多应用中，共享数据的锁定状态只会持续很短的时间，短时间内挂起和恢复线程是浪费的，因此，为了让线程保持运行，但是不去争夺同步资源，引入了自旋锁，即让线程执行一个忙循环，当持有锁的线程释放锁后，该线程再去获取锁。避免线程挂起和恢复消耗资源。

自旋锁在JDK 1.4.2 中已经引入了，但是默认是关闭的，可以使用 -XX:+UseSpinning 参数开启，在JDK 1.6 中默认开启。

上边介绍了引入自旋锁的需求，锁持续的时间很短，这种情况下，让线程自旋等待相比挂起和恢复，似乎是更高效的方式；但是，如果锁长时间未释放，那么线程将一直自旋下去，这样会张勇太多的处理器时间，白白消耗处理器资源做无用功，带来性能上的浪费。因此，自旋锁等待的时间必须要有一定的限制，超过了规定次数，还没有获得锁，线程就会挂起。自旋次数默认是10次，可以使用 -XX:PreBlockSpin 参数来修改。

上边的自旋锁已经可以自旋指定的次数了，这样相比原来不停的自旋或者直接挂起线程已经高效很多了；可是如果我们自旋10次之后，刚挂起线程，就获得了锁，有需要唤醒线程，我们的处理器肯定在想你为什么不多自旋一会，我们的自旋锁是否能够更加智能呢？

JVM 的开发者没有让我们失望，在JDK 1.6 中引入了自适应的自旋锁，自适应就是说自旋的时间不再是固定的，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。自适应自旋锁认为，如果同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在执行，那么虚拟机就会任务这次自旋锁很可能会再次成功，将会等待更长的时间；如果某个锁，很少更改获得，那么后边的线程将忽略自旋的过程，直接挂起，避免处理器资源的浪费。

3.2 锁消除

锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

那么 JVM 虚拟机是如何检测锁不可能存在数据竞争呢？另外，如果不存在数据竞争我们再写代码的时候不加锁不久可以了，虚拟机为什么还要做这个检测呢？

虚拟机使用逃逸分析技术，来检测锁是否存在竞争；虽然我们再写代码时，可能不会加锁，但是javac编译器会对我们的程序进行自动优化，因此可能就会引入部分我们自己都不知道的锁，所以，虚拟机的锁消除还是有必要的，而且也更好的优化了程序的性能。

3.3 锁粗化

锁粗化就是将多个连续的锁，连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。但是，在刚学习多线程时，总是推荐我们同步代码块的范围要尽可能小，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快得到锁。

大部分情况下，我们遵循以上的原则是正确的，但是如果一系列连续的操作都对同一个对象加锁（例如：频繁调用一些同步方法，StringBuffer.append()等），程序将会频繁的进行加锁解锁过程，影响效率。因此，虚拟机如果检测到这种对同一对象加锁的连续操作，将会把加锁范围扩展到整个操作序列的外部。

3.4 偏向锁

大多数情况下，锁总是由一个线程多次获得，这种情况下，为了降低线程获取锁的代价，引入了偏向锁。线程每次进入同步代码块，会在对象头中记录线程ID，一个该线程如果再次进入和退出同步代码块时，检测到对象头中存储的指向当前线程的偏向锁，则不需要使用CAS加锁和解锁；如果检测失败，则再检测一下对象头中的偏向锁标识是否设置为1，即当前是偏向锁：如果不是偏向锁，使用CAS竞争锁；如果是，使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

释放偏向锁偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。偏向锁的撤销需要等待全局安全点（这个时间点是上没有正在执行的代码）。其步骤如下：
1. 暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否还处于被锁定状态；
2. 撤销偏向锁，恢复到无锁状态（01）或者轻量级锁的状态；

偏向锁获取和释放的流程大致如下图：（图片来源并发编程网-ifeve.com）