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深入理解 synchronized 關鍵字

前言

synchronized 這個關鍵字的重要性不言而喻，幾乎可以說是并發、多線程必須會問到的關鍵字了。synchronized 會涉及到鎖、升級降級操作、鎖的撤銷、對象頭等。所以理解 synchronized 非常重要，本篇文章就帶你從 synchronized 的基本用法、再到 synchronized 的深入理解，對象頭等，為你揭開 synchronized 的面紗。

淺析 synchronized

synchronized 是 Java 并發模塊非常重要的關鍵字，它是 Java 內建的一種同步機制，代表了某種內在鎖定的概念，當一個線程對某個共享資源加鎖后，其他想要獲取共享資源的線程必須進行等待，synchronized 也具有互斥和排他的語義。

什么是互斥？我們想必小時候都玩兒過磁鐵，磁鐵會有正負極的概念，同性相斥異性相吸，相斥相當于就是一種互斥的概念，也就是兩者互不相容。

synchronized 也是一種獨占的關鍵字，但是它這種獨占的語義更多的是為了增加線程安全性，通過獨占某個資源以達到互斥、排他的目的。

在了解了排他和互斥的語義后，我們先來看一下 synchronized 的用法，先來了解用法，再來了解底層實現。

synchronized 的使用

關于 synchronized 想必你應該都大致了解過

• synchronized 修飾實例方法，相當于是對類的實例進行加鎖，進入同步代碼前需要獲得當前實例的鎖
• synchronized 修飾靜態方法，相當于是對類對象進行加鎖
• synchronized 修飾代碼塊，相當于是給對象進行加鎖，在進入代碼塊前需要先獲得對象的鎖

下面我們針對每個用法進行解釋

synchronized 修飾實例方法

synchronized 修飾實例方法，實例方法是屬于類的實例。synchronized 修飾的實例方法相當于是對象鎖。下面是一個 synchronized 修飾實例方法的例子。

public synchronized void method()
{// ...
}

像如上述 synchronized 修飾的方法就是實例方法，下面我們通過一個完整的例子來認識一下 synchronized 修飾實例方法

public class TSynchronized implements Runnable{static int i = 0;public synchronized void increase(){i++;System.out.println(Thread.currentThread().getName());}@Overridepublic void run() {for(int i = 0;i < 1000;i++) {increase();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {TSynchronized tSynchronized = new TSynchronized();Thread aThread = new Thread(tSynchronized);Thread bThread = new Thread(tSynchronized);aThread.start();bThread.start();aThread.join();bThread.join();System.out.println("i = " + i);}
}

上面輸出的結果 i = 2000 ，并且每次都會打印當前現成的名字

來解釋一下上面代碼，代碼中的 i 是一個靜態變量，靜態變量也是全局變量，靜態變量存儲在方法區中。increase 方法由 synchronized 關鍵字修飾，但是沒有使用 static 關鍵字修飾，表示 increase 方法是一個實例方法，每次創建一個 TSynchronized 類的同時都會創建一個 increase 方法，increase 方法中只是打印出來了當前訪問的線程名稱。Synchronized 類實現了 Runnable 接口，重寫了 run 方法，run 方法里面就是一個 0 - 1000 的計數器，這個沒什么好說的。在 main 方法中，new 出了兩個線程，分別是 aThread 和 bThread，Thread.join 表示等待這個線程處理結束。這段代碼主要的作用就是判斷 synchronized 修飾的方法能夠具有獨占性。

synchronized 修飾靜態方法

synchronized 修飾靜態方法就是 synchronized 和 static 關鍵字一起使用

public static synchronized void increase(){}

當 synchronized 作用于靜態方法時，表示的就是當前類的鎖，因為靜態方法是屬于類的，它不屬于任何一個實例成員，因此可以通過 class 對象控制并發訪問。

這里需要注意一點，因為 synchronized 修飾的實例方法是屬于實例對象，而 synchronized 修飾的靜態方法是屬于類對象，所以調用 synchronized 的實例方法并不會阻止訪問 synchronized 的靜態方法。

synchronized 修飾代碼塊

synchronized 除了修飾實例方法和靜態方法外，synchronized 還可用于修飾代碼塊，代碼塊可以嵌套在方法體的內部使用。

public void run() {synchronized(obj){for(int j = 0;j < 1000;j++){i++;}}
}

上面代碼中將 obj 作為鎖對象對其加鎖，每次當線程進入 synchronized 修飾的代碼塊時就會要求當前線程持有obj 實例對象鎖，如果當前有其他線程正持有該對象鎖，那么新到的線程就必須等待。

synchronized 修飾的代碼塊，除了可以鎖定對象之外，也可以對當前實例對象鎖、class 對象鎖進行鎖定

// 實例對象鎖
synchronized(this){for(int j = 0;j < 1000;j++){i++;}
}//class對象鎖
synchronized(TSynchronized.class){for(int j = 0;j < 1000;j++){i++;}
}

synchronized 底層原理

在簡單介紹完 synchronized 之后，我們就來聊一下 synchronized 的底層原理了。

我們或許都有所了解（下文會細致分析），synchronized 的代碼塊是由一組 monitorenter/monitorexit 指令實現的。而Monitor 對象是實現同步的基本單元。

啥是 Monitor 對象呢？

Monitor 對象

任何對象都關聯了一個管程，管程就是控制對象并發訪問的一種機制。管程 是一種同步原語，在 Java 中指的就是 synchronized，可以理解為 synchronized 就是 Java 中對管程的實現。

管程提供了一種排他訪問機制，這種機制也就是 互斥。互斥保證了在每個時間點上，最多只有一個線程會執行同步方法。

所以你理解了 Monitor 對象其實就是使用管程控制同步訪問的一種對象。

對象內存布局

在 hotspot 虛擬機中，對象在內存中的布局分為三塊區域：

• 對象頭(Header)
• 實例數據(Instance Data)
• 對齊填充(Padding)

這三塊區域的內存分布如下圖所示

我們來詳細介紹一下上面對象中的內容。

對象頭 Header

對象頭 Header 主要包含 MarkWord 和對象指針 Klass Pointer，如果是數組的話，還要包含數組的長度。

在 32 位的虛擬機中 MarkWord ，Klass Pointer 和數組長度分別占用 32 位，也就是 4 字節。

如果是 64 位虛擬機的話，MarkWord ，Klass Pointer 和數組長度分別占用 64 位，也就是 8 字節。

在 32 位虛擬機和 64 位虛擬機的 Mark Word 所占用的字節大小不一樣，32 位虛擬機的 Mark Word 和 Klass Pointer 分別占用 32 bits 的字節，而 64 位虛擬機的 Mark Word 和 Klass Pointer 占用了64 bits 的字節，下面我們以 32 位虛擬機為例，來看一下其 Mark Word 的字節具體是如何分配的。

用中文翻譯過來就是

• 無狀態也就是無鎖的時候，對象頭開辟 25 bit 的空間用來存儲對象的 hashcode ，4 bit 用于存放分代年齡，1 bit 用來存放是否偏向鎖的標識位，2 bit 用來存放鎖標識位為 01。
• 偏向鎖 中劃分更細，還是開辟 25 bit 的空間，其中 23 bit 用來存放線程ID，2bit 用來存放 epoch，4bit 存放分代年齡，1 bit 存放是否偏向鎖標識， 0 表示無鎖，1 表示偏向鎖，鎖的標識位還是 01。
• 輕量級鎖中直接開辟 30 bit 的空間存放指向棧中鎖記錄的指針，2bit 存放鎖的標志位，其標志位為 00。
• 重量級鎖中和輕量級鎖一樣，30 bit 的空間用來存放指向重量級鎖的指針，2 bit 存放鎖的標識位，為 11
• GC標記開辟 30 bit 的內存空間卻沒有占用，2 bit 空間存放鎖標志位為 11。

其中無鎖和偏向鎖的鎖標志位都是 01，只是在前面的 1 bit 區分了這是無鎖狀態還是偏向鎖狀態。

關于為什么這么分配的內存，我們可以從 OpenJDK 中的markOop.hpp類中的枚舉窺出端倪

來解釋一下

• age_bits 就是我們說的分代回收的標識，占用4字節
• lock_bits 是鎖的標志位，占用2個字節
• biased_lock_bits 是是否偏向鎖的標識，占用1個字節。
• max_hash_bits 是針對無鎖計算的 hashcode 占用字節數量，如果是 32 位虛擬機，就是 32 - 4 - 2 -1 = 25 byte，如果是 64 位虛擬機，64 - 4 - 2 - 1 = 57 byte，但是會有 25 字節未使用，所以 64 位的 hashcode 占用 31 byte。
• hash_bits 是針對 64 位虛擬機來說，如果最大字節數大于 31，則取 31，否則取真實的字節數
• cms_bits 我覺得應該是不是 64 位虛擬機就占用 0 byte，是 64 位就占用 1byte
• epoch_bits 就是 epoch 所占用的字節大小，2 字節。

在上面的虛擬機對象頭分配表中，我們可以看到有幾種鎖的狀態：無鎖（無狀態），偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖，其中輕量級鎖和偏向鎖是 JDK1.6 中對 synchronized 鎖進行優化后新增加的，其目的就是為了大大優化鎖的性能，所以在 JDK 1.6 中，使用 synchronized 的開銷也沒那么大了。其實從鎖有無鎖定來講，還是只有無鎖和重量級鎖，偏向鎖和輕量級鎖的出現就是增加了鎖的獲取性能而已，并沒有出現新的鎖。

所以我們的重點放在對 synchronized 重量級鎖的研究上，當 monitor 被某個線程持有后，它就會處于鎖定狀態。在 HotSpot 虛擬機中，monitor 的底層代碼是由 ObjectMonitor 實現的，其主要數據結構如下（位于 HotSpot 虛擬機源碼 ObjectMonitor.hpp 文件，C++ 實現的）

這段 C++ 中需要注意幾個屬性：_WaitSet 、 _EntryList 和 _Owner，每個等待獲取鎖的線程都會被封裝稱為 ObjectWaiter 對象。

_Owner 是指向了 ObjectMonitor 對象的線程，而 _WaitSet 和 _EntryList 就是用來保存每個線程的列表。

那么這兩個列表有什么區別呢？這個問題我和你聊一下鎖的獲取流程你就清楚了。

鎖的兩個列表

當多個線程同時訪問某段同步代碼時，首先會進入 _EntryList 集合，當線程獲取到對象的 monitor 之后，就會進入 _Owner 區域，并把 ObjectMonitor 對象的 _Owner 指向為當前線程，并使 _count + 1，如果調用了釋放鎖（比如 wait）的操作，就會釋放當前持有的 monitor ，owner = null， _count - 1，同時這個線程會進入到 _WaitSet 列表中等待被喚醒。如果當前線程執行完畢后也會釋放 monitor 鎖，只不過此時不會進入 _WaitSet 列表了，而是直接復位 _count 的值。

Klass Pointer 表示的是類型指針，也就是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。

你可能不是很理解指針是個什么概念，你可以簡單理解為指針就是指向某個數據的地址。

實例數據 Instance Data

實例數據部分是對象真正存儲的有效信息，也是代碼中定義的各個字段的字節大小，比如一個 byte 占 1 個字節，一個 int 占用 4 個字節。

對齊 Padding

對齊不是必須存在的，它只起到了**占位符(%d, %c 等)**的作用。這就是 JVM 的要求了，因為 HotSpot JVM 要求對象的起始地址必須是 8 字節的整數倍，也就是說對象的字節大小是 8 的整數倍，不夠的需要使用 Padding 補全。

鎖的升級流程

先來個大體的流程圖來感受一下這個過程，然后下面我們再分開來說

無鎖

無鎖狀態，無鎖即沒有對資源進行鎖定，所有的線程都可以對同一個資源進行訪問，但是只有一個線程能夠成功修改資源。

無鎖的特點就是在循環內進行修改操作，線程會不斷的嘗試修改共享資源，直到能夠成功修改資源并退出，在此過程中沒有出現沖突的發生，這很像我們在之前文章中介紹的 CAS 實現，CAS 的原理和應用就是無鎖的實現。無鎖無法全面代替有鎖，但無鎖在某些場合下的性能是非常高的。

偏向鎖

HotSpot 的作者經過研究發現，大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，還存在鎖由同一線程多次獲得的情況，偏向鎖就是在這種情況下出現的，它的出現是為了解決只有在一個線程執行同步時提高性能。

可以從對象頭的分配中看到，偏向鎖要比無鎖多了線程ID 和 epoch，下面我們就來描述一下偏向鎖的獲取過程

偏向鎖獲取過程

1. 首先線程訪問同步代碼塊，會通過檢查對象頭 Mark Word 的鎖標志位判斷目前鎖的狀態，如果是 01，說明就是無鎖或者偏向鎖，然后再根據是否偏向鎖 的標示判斷是無鎖還是偏向鎖，如果是無鎖情況下，執行下一步
2. 線程使用 CAS 操作來嘗試對對象加鎖，如果使用 CAS 替換 ThreadID 成功，就說明是第一次上鎖，那么當前線程就會獲得對象的偏向鎖，此時會在對象頭的 Mark Word 中記錄當前線程 ID 和獲取鎖的時間 epoch 等信息，然后執行同步代碼塊。

全局安全點（Safe Point）：全局安全點的理解會涉及到 C 語言底層的一些知識，這里簡單理解 SafePoint 是 Java 代碼中的一個線程可能暫停執行的位置。

等到下一次線程在進入和退出同步代碼塊時就不需要進行 CAS 操作進行加鎖和解鎖，只需要簡單判斷一下對象頭的 Mark Word 中是否存儲著指向當前線程的線程ID，判斷的標志當然是根據鎖的標志位來判斷的。如果用流程圖來表示的話就是下面這樣

關閉偏向鎖

偏向鎖在Java 6 和Java 7 里是默認啟用的。由于偏向鎖是為了在只有一個線程執行同步塊時提高性能，如果你確定應用程序里所有的鎖通常情況下處于競爭狀態，可以通過JVM參數關閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默認會進入輕量級鎖狀態。

關于 epoch

偏向鎖的對象頭中有一個被稱為 epoch 的值，它作為偏差有效性的時間戳。

輕量級鎖

輕量級鎖是指當前鎖是偏向鎖的時候，資源被另外的線程所訪問，那么偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，從而提高性能，下面是詳細的獲取過程。

輕量級鎖加鎖過程

1. 緊接著上一步，如果 CAS 操作替換 ThreadID 沒有獲取成功，執行下一步
2. 如果使用 CAS 操作替換 ThreadID 失敗（這時候就切換到另外一個線程的角度）說明該資源已被同步訪問過，這時候就會執行鎖的撤銷操作，撤銷偏向鎖，然后等原持有偏向鎖的線程到達全局安全點（SafePoint）時，會暫停原持有偏向鎖的線程，然后會檢查原持有偏向鎖的狀態，如果已經退出同步，就會喚醒持有偏向鎖的線程，執行下一步
3. 檢查對象頭中的 Mark Word 記錄的是否是當前線程 ID，如果是，執行同步代碼，如果不是，執行偏向鎖獲取流程 的第2步。

如果用流程表示的話就是下面這樣（已經包含偏向鎖的獲取）

重量級鎖

重量級鎖其實就是 synchronized 最終加鎖的過程，在 JDK 1.6 之前，就是由無鎖 -> 加鎖的這個過程。

重量級鎖的獲取流程

1. 接著上面偏向鎖的獲取過程，由偏向鎖升級為輕量級鎖，執行下一步
2. 會在原持有偏向鎖的線程的棧中分配鎖記錄，將對象頭中的 Mark Word 拷貝到原持有偏向鎖線程的記錄中，然后原持有偏向鎖的線程獲得輕量級鎖，然后喚醒原持有偏向鎖的線程，從安全點處繼續執行，執行完畢后，執行下一步，當前線程執行第 4 步
3. 執行完畢后，開始輕量級解鎖操作，解鎖需要判斷兩個條件
   • 判斷對象頭中的 Mark Word 中鎖記錄指針是否指向當前棧中記錄的指針

• 拷貝在當前線程鎖記錄的 Mark Word 信息是否與對象頭中的 Mark Word 一致。

如果上面兩個判斷條件都符合的話，就進行鎖釋放，如果其中一個條件不符合，就會釋放鎖，并喚起等待的線程，進行新一輪的鎖競爭。

1. 在當前線程的棧中分配鎖記錄，拷貝對象頭中的 MarkWord 到當前線程的鎖記錄中，執行 CAS 加鎖操作，會把對象頭 Mark Word 中鎖記錄指針指向當前線程鎖記錄，如果成功，獲取輕量級鎖，執行同步代碼，然后執行第3步，如果不成功，執行下一步
2. 當前線程沒有使用 CAS 成功獲取鎖，就會自旋一會兒，再次嘗試獲取，如果在多次自旋到達上限后還沒有獲取到鎖，那么輕量級鎖就會升級為 重量級鎖

如果用流程圖表示是這樣的

根據上面對于鎖升級細致的描述，我們可以總結一下不同鎖的適用范圍和場景。

鎖類型	適用場景	缺點	優點
偏向鎖	適用于只有一個線程訪問的同步場景	如果存在多個線程競爭使用鎖，會帶來額外的鎖撤銷消耗	加鎖和解消耗小
輕量級鎖	適用于追求響應時間的應用場景	如果始終得不到資源，會自旋消耗 CPU	提高程序響應速度
重量級鎖	適用于追求吞吐量的應用場景	得不到鎖的線程會阻塞，性能比較差	阻塞，不需要消耗 CPU

synchronized 代碼塊的底層實現

為了便于方便研究，我們把 synchronized 修飾代碼塊的示例簡單化，如下代碼所示

public class SynchronizedTest {private int i;public void syncTask(){synchronized (this){i++;}}}

我們主要關注一下 synchronized 的字節碼，如下所示

從這段字節碼中我們可以知道，同步語句塊使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit 指令指向同步代碼塊的結束位置。

那么為什么會有兩個 monitorexit 呢？

不知道你注意到下面的異常表了嗎？如果你不知道什么是異常表，那么我建議你讀一下這篇文章

synchronized 修飾方法的底層原理

方法的同步是隱式的，也就是說 synchronized 修飾方法的底層無需使用字節碼來控制，真的是這樣嗎？我們來反編譯一波看看結果

public class SynchronizedTest {private int i;public synchronized void syncTask(){i++;}
}

這次我們使用 javap -verbose 來輸出詳細的結果

從字節碼上可以看出，synchronized 修飾的方法并沒有使用 monitorenter 和 monitorexit 指令，取得代之是ACC_SYNCHRONIZED 標識，該標識指明了此方法是一個同步方法，JVM 通過該 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標志來辨別一個方法是否聲明為同步方法，從而執行相應的同步調用。這就是 synchronized 鎖在同步代碼塊上和同步方法上的實現差別。