说一下 synchronized 底层实现原理？

### synchronized简介 Java中提供了两种实现同步的基础语义：synchronized方法和synchronized块， Java中的synchronized有偏向锁、轻量级锁、重量级锁三种形式，分别对应了锁只被一个线程持有、不同线程交替持有锁、多线程竞争锁三种情况。当条件不满足时，锁会按偏向锁->轻量级锁->重量级锁 的顺序升级。JVM种的锁也是能降级的，只不过条件很苛刻，不在我们讨论范围之内。 我们来看个demo： ```java 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关键字和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： ```java { 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 } ``` 从上面的中文注释处可以看到，对于synchronized关键字而言，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。 在JVM底层，对于这两种synchronized语义的实现大致相同，在后文中会选择一种进行详细分析。 ### 锁的几种形式 传统的锁（也就是下文要说的重量级锁）依赖于系统的同步函数，在linux上使用mutex互斥锁，最底层实现依赖于futex，这些同步函数都涉及到用户态和内核态的切换、进程的上下文切换，成本较高。对于加了synchronized关键字但运行时并没有多线程竞争，或两个线程接近于交替执行的情况，使用传统锁机制无疑效率是会比较低的。 在JDK 1.6之前,synchronized只有传统的锁机制，因此给开发者留下了synchronized关键字相比于其他同步机制性能不好的印象。 在JDK 1.6引入了两种新型锁机制：偏向锁和轻量级锁，它们的引入是为了解决在没有多线程竞争或基本没有竞争的场景下因使用传统锁机制带来的性能开销问题。 在看这几种锁机制的实现前，我们先来了解下对象头，它是实现多种锁机制的基础。 ### 对象头 因为在Java中任意对象都可以用作锁，因此必定要有一个映射关系，存储该对象以及其对应的锁信息（比如当前哪个线程持有锁，哪些线程在等待）。一种很直观的方法是，用一个全局map，来存储这个映射关系，但这样会有一些问题：需要对map做线程安全保障，不同的synchronized之间会相互影响，性能差；另外当同步对象较多时，该map可能会占用比较多的内存。 所以最好的办法是将这个映射关系存储在对象头中，因为对象头本身也有一些hashcode、GC相关的数据，所以如果能将锁信息与这些信息共存在对象头中就好了。 在JVM中，对象在内存中除了本身的数据外还会有个对象头，对于普通对象而言，其对象头中有两类信息：mark word和类型指针。另外对于数组而言还会有一份记录数组长度的数据。 类型指针是指向该对象所属类对象的指针，mark word用于存储对象的HashCode、GC分代年龄、锁状态等信息。在32位系统上mark word长度为32字节，64位系统上长度为64字节。为了能在有限的空间里存储下更多的数据，其存储格式是不固定的，在32位系统上各状态的格式如下：  可以看到锁信息也是存在于对象的mark word中的。当对象状态为偏向锁（biasable）时，mark word存储的是偏向的线程ID；当状态为轻量级锁（lightweight locked）时，mark word存储的是指向线程栈中Lock Record的指针；当状态为重量级锁（inflated）时，为指向堆中的monitor对象的指针。 ### 重量级锁 重量级锁是我们常说的传统意义上的锁，其利用操作系统底层的同步机制去实现Java中的线程同步。 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cxq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cxq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。 以上只是对重量级锁流程的一个简述，其中涉及到的很多细节，比如ObjectMonitor对象从哪来？释放锁时是将cxq中的元素移动到EntryList的尾部还是头部？notfiy时，是将ObjectWaiter移动到EntryList的尾部还是头部？ 关于具体的细节，会在重量级锁的文章中分析。 ### 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。这种情况下，用重量级锁是没必要的。因此JVM引入了轻量级锁的概念。 线程在执行同步块之前，JVM会先在当前的线程的栈帧中创建一个Lock Record，其包括一个用于存储对象头中的 mark word（官方称之为Displaced Mark Word）以及一个指向对象的指针。下图右边的部分就是一个Lock Record。  ### 加锁过程 1.在线程栈中创建一个Lock Record，将其obj（即上图的Object reference）字段指向锁对象。 2.直接通过CAS指令将Lock Record的地址存储在对象头的mark word中，如果对象处于无锁状态则修改成功，代表该线程获得了轻量级锁。如果失败，进入到步骤3。 3.如果是当前线程已经持有该锁了，代表这是一次锁重入。设置Lock Record第一部分（Displaced Mark Word）为null，起到了一个重入计数器的作用。然后结束。 4.走到这一步说明发生了竞争，需要膨胀为重量级锁。 ### 解锁过程 1.遍历线程栈,找到所有obj字段等于当前锁对象的Lock Record。 2.如果Lock Record的Displaced Mark Word为null，代表这是一次重入，将obj设置为null后continue。 3.如果Lock Record的Displaced Mark Word不为null，则利用CAS指令将对象头的mark word恢复成为Displaced Mark Word。如果成功，则continue，否则膨胀为重量级锁。 ### 偏向锁 Java是支持多线程的语言，因此在很多二方包、基础库中为了保证代码在多线程的情况下也能正常运行，也就是我们常说的线程安全，都会加入如synchronized这样的同步语义。但是在应用在实际运行时，很可能只有一个线程会调用相关同步方法。比如下面这个demo： ```java import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class SyncDemo1 { public static void main(String[] args) { SyncDemo1 syncDemo1 = new SyncDemo1(); for (int i = 0; i < 100; i++) { syncDemo1.addString("test:" + i); } } private List<String> list = new ArrayList<>(); public synchronized void addString(String s) { list.add(s); } } ``` 在这个demo中为了保证对list操纵时线程安全，对addString方法加了synchronized的修饰，但实际使用时却只有一个线程调用到该方法，对于轻量级锁而言，每次调用addString时，加锁解锁都有一个CAS操作；对于重量级锁而言，加锁也会有一个或多个CAS操作（这里的’一个‘、’多个‘数量词只是针对该demo，并不适用于所有场景）。 在JDK1.6中为了提高一个对象在一段很长的时间内都只被一个线程用做锁对象场景下的性能，引入了偏向锁，在第一次获得锁时，会有一个CAS操作，之后该线程再获取锁，只会执行几个简单的命令，而不是开销相对较大的CAS命令。我们来看看偏向锁是如何做的。

如果对上面的执行结果还有疑问，也先不用急，我们先来了解Synchronized的原理，再回头上面的问题就一目了然了。我们先通过反编译下面的代码来看看Synchronized是如何实现对代码块进行同步的： ```java package com.paddx.test.concurrent; public class SynchronizedDemo { public void method() { synchronized (this) { System.out.println("Method 1 start"); } } } ``` 反编译结果：   关于这两条指令的作用，我们直接参考JVM规范中描述： monitorenter ： Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitor associated with objectref, as follows: • If the entry count of the monitor associated with objectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The thread is then the owner of the monitor. • If the thread already owns the monitor associated with objectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count. • If another thread already owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor's entry count is zero, then tries again to gain ownership. 这段话的大概意思为： 每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下： 1、如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。 2、如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1. 3.如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。 monitorexit：　 The thread that executes monitorexit must be the owner of the monitor associated with the instance referenced by objectref. The thread decrements the entry count of the monitor associated with objectref. If as a result the value of the entry count is zero, the thread exits the monitor and is no longer its owner. Other threads that are blocking to enter the monitor are allowed to attempt to do so. 这段话的大概意思为： 执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。 指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。  　　通过这两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。 　　我们再来看一下同步方法的反编译结果：  从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：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，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。 其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。 ### 三、运行结果解释 　　有了对Synchronized原理的认识，再来看上面的程序就可以迎刃而解了。 1、代码段2结果： 　　虽然method1和method2是不同的方法，但是这两个方法都进行了同步，并且是通过同一个对象去调用的，所以调用之前都需要先去竞争同一个对象上的锁（monitor），也就只能互斥的获取到锁，因此，method1和method2只能顺序的执行。 2、代码段3结果： 　　虽然test和test2属于不同对象，但是test和test2属于同一个类的不同实例，由于method1和method2都属于静态同步方法，所以调用的时候需要获取同一个类上monitor（每个类只对应一个class对象），所以也只能顺序的执行。 3、代码段4结果： 　　对于代码块的同步实质上需要获取Synchronized关键字后面括号中对象的monitor，由于这段代码中括号的内容都是this，而method1和method2又是通过同一的对象去调用的，所以进入同步块之前需要去竞争同一个对象上的锁，因此只能顺序执行同步块。 ### 四 总结 　　Synchronized是Java并发编程中最常用的用于保证线程安全的方式，其使用相对也比较简单。但是如果能够深入了解其原理，对监视器锁等底层知识有所了解，一方面可以帮助我们正确的使用Synchronized关键字，另一方面也能够帮助我们更好的理解并发编程机制，有助我们在不同的情况下选择更优的并发策略来完成任务。对平时遇到的各种并发问题，也能够从容的应对。

synchronized可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入到临界区，同时它还可以保证共享变量的内存可见性。 Java中每一个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础： 1. 普通同步方法，锁是当前实例对象 2. 3. 静态同步方法，锁是当前类的class对象 4. 5. 同步方法块，锁是括号里面的对象