Synchronized 天天用，实现原理你懂吗？

Synchronized 关键字算是Java的元老级锁了，一开始它撑起了Java的同步任务，其用法简单粗暴容易上手。但是有些与它相关的知识点还是需要我们开发者去深入掌握的。

比如，我们都知道通过 Synchronized 锁来实现互斥功能，可以用在方法或者代码块上，那么不同用法都是怎么实现的，以及都经历了了哪些优化等等问题都需要我们扎实的理解。

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一、基本用法

通常我们可以把 Synchronized 用在一个方法或者代码块里，方法又有普通方法或者静态方法。

对于普通同步方法，锁是当前实例对象，也就是this

public class TestSyn{ 
  private int i=0; 
  public synchronized void incr(){ 
    i++; 
  } 
} 

对于静态同步方法，锁是Class对象

public class TestSyn{ 
  private static int i=0; 
  public static synchronized void incr(){ 
    i++; 
  } 
}   

对于同步代码块，锁是同步代码块里的对象

public class TestSyn{ 
  private  int i=0; 
  Object o = new Object(); 
  public  void incr(){ 
    synchronized(o){ 
        i++; 
    } 
  } 
} 

二、实现原理

在JVM规范中介绍了 Synchronized 的实现原理，JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。

代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，而方法同步是使用另外一种方式实现的，通过一个方法标志(flag) ACC_SYNCHRONIZED来实现的。

1. 同步代码块的实现

(1) monitorenter 和 monitorexit

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html#jvms-6.5.monitorenter (参考来源)

下面看下JVM规范里对moniterenter 和 monitorexit的介绍：

每个对象都有一个监视器(Moniter)与它相关联，执行moniterenter指令的线程将获得与objectref关联的监视器的所有权，如果另一个线程已经拥有与objectref关联的监视器，则当前线程将等待直到对象被解锁为止。

重点来了，上面这段介绍了两点：

• 通过monitorenter和monitorexit指令来实现Java语言的同步代码块(后面有代码示例)
• monitorenter和monitorexit指令没有被用在同步方法上!!!

2. 同步方法的实现

先看下JVM规范里怎么说的：

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se6/html/Compiling.doc.html#6530 (参考来源)

上面这段话主要讲了几点：

• 同步方法的实现不是基于monitorenter和monitorexit指令来实现的
• 在运行时常量池里通过ACC_SYNCHRONIZED来区分是否是同步方法，方法执行时会检查该标志
• 当一个方法有这个标志的时候，进入的线程首先需要获得监视器才能执行该方法
• 方法结束或者抛异常时会释放监视器

public class TestSyn { 
 
    private int i=0; 
    // 同步方法 
    public synchronized void incer(){ 
        i++; 
    } 
    // 同步代码块 
    public  void decr(){ 
        synchronized (this) { 
            i--; 
        } 
    } 
} 

可以通过反编译字节码来查看底层是怎么实现的

// 得到字节码 
javac TestSyn.java 

// 反编译字节码 
javap -v TestSyn.class 

同步代码块的反编译结果如下：

同步方法的反编译结果如下：

三、锁升级

1. Java对象头介绍

(1) 对象的内存布局

在我们常见的HotSpot虚拟机中对象由三部分组成，分别是对象头，实例数据，以及对齐填充位。

其中对象头是跟锁信息相关的部分，在对象头里会存储该对象运行时数据，包括哈希码，GC分代年龄，锁状态(无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁)，是否偏向锁，偏向线程ID等信息。

存储上述这些的区域叫做Mark Word(标记词)，除了这部分对象头还有一部分区域用来存储类型指针，可以通过该类型指针来定位对象的元数据信息。下面重点看下，对象头的内存布局，因为这部分是跟我们这次相关的。

对象在内存中的表示如下图：

对象头的结构表示如下图：

mark word的表示如下图：

2. 什么是锁升级

下面举个抢茅坑的例子来解释一下锁升级过程。

(1) 当只有一个线程访问时叫做偏向锁

假设我们每个厕所都有一把钥匙，要想使用厕所首先必须得获得锁。某天上午员工甲急急忙忙的打完卡上厕所了，并在厕所门上贴了 “工号007使用中”的标签，说明目前被工号007(相当于线程id)的员工占用呢,他再次向进入的时候只要上面的标签还显示工号007，他自己可以随便进入，不需要再次上锁了，有点偏向工号007员工的意思，所以这叫偏向锁。

(2) 发生竞争的时候升级成轻量级锁 (自旋等待)

员工甲正在使用厕所的时候，又来了两个人想用厕所，但发现厕所被人使用着呢，无法获得锁。所以只能在外面等着甲出来，他们等的过程叫做“自旋”，这个叫做轻量级锁。

那么又有一个问题，当甲出来之后正等着的那两个人谁活得锁呢?有两种方式，按到达的顺序来排队或者不排队，这两种都可以实现，前者叫做公平锁，后者叫做非公平锁。

(3) 自旋等待没结果的时候升级成重量级锁

但那两个人自旋一段时间之后发现甲还没出来(JDK1.6规定为10次)，一直这么等也不是个法子啊，所以打算向上升级，找厕所管理员(操作系统)反馈，升级成了重量级锁了。

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。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。另外关注公众号Java技术栈回复JVM46获取一份46页的JVM调优教程。

锁升级过程中mark word的变化如下：

(4) 偏向锁

偏向锁也是JDK 1.6中引入的一项锁优化， 引入它是为了优化在没有锁竞争场景下的锁消除。比如一段同步代码一直是由单个线程调用，在这种场景下就没必要使用同步锁了，这里指的同步锁不是指 synchronized，而是说没不要到操作系统层面的互斥量了。

偏向锁的偏向是指该同步代码会一直偏向第一个调用它的线程,直到有别的线程过来竞争这把锁，在第一次调用同步代码并获得锁时会在对象头和栈帧锁记录行(Lock Record)里存储偏向线程Id,该线程在此进入的时候就不需要重新申请锁了。只需检测对象头的Mark Word里是否存储着指向该线程的ID即可。

直到又有线程来竞争这把锁的时候偏向锁会撤销偏向。

(5) 轻量级锁

轻量级锁是JDK 1.6之中加入的新型锁机制， 它名字中的“轻量级”是相对于使用操作系统。

互斥量来实现的传统锁而言的， 因此传统的锁机制就称为“重量级”锁。它并不是用来代替重量级锁的， 它的本意是在统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。

然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁.一直原地自旋，如果自旋数达到10次了则升级为重量级锁。

(6) 重量级锁

竞争的线程自旋一段时间未能获取锁之后会升级为重量级锁，这个时候锁的获取与释放都会由操作系统来分配了，如果持有锁的线程释放锁之后操作系统会唤醒所有阻塞的那些线程，并进入新一轮的争抢模式，需要注意的是这些阻塞的线程没有获得锁的优先级，也就是说synchronized锁是非公平的。

除此之外synchronized对中断操作也是无感的，不会因为被中断而放弃阻塞等待，它要么得到锁要么一直阻塞。