Synchronized 天天用，實作原理你懂嗎？-有解無憂

來源：小小木的博客
www.cnblogs.com/wyc1994666/p/11748212.html

Synchronized 關鍵字算是Java的元老級鎖了，一開始它撐起了Java的同步任務，其用法簡單粗暴容易上手，但是有些與它相關的知識點還是需要我們開發者去深入掌握的，

比如，我們都知道通過 Synchronized 鎖來實作互斥功能，可以用在方法或者代碼塊上，那么不同用法都是怎么實作的,以及都經歷了了哪些優化等等問題都需要我們扎實的理解，

1.基本用法
2.實作原理
2.1 同步代碼塊的實作
2.2 同步方法的實作
3.鎖升級
3.1 Java物件頭介紹
3.2 什么是鎖升級

1.基本用法

通常我們可以把 Synchronized 用在一個方法或者代碼塊里，方法又有普通方法或者靜態方法，

對于普通同步方法，鎖是當前實體物件，也就是this

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

對于靜態同步方法，鎖是Class物件

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

對于同步代碼塊，鎖是同步代碼塊里的物件

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

2.實作原理

在JVM規范中介紹了 Synchronized 的實作原理，JVM基于進入和退出Monitor對
象來實作方法同步和代碼塊同步，但兩者的實作細節不一樣，

代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實作的，而方法同步是使用另外一種方式實作的，通過一個方法標志(flag) ACC_SYNCHRONIZED來實作的，

2.1 同步代碼塊的實作

monitorenter 和 monitorexit

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html#jvms-6.5.monitorenter (參考來源)

下面看下JVM規范里對moniterenter 和 monitorexit的介紹

Each object has a monitor associated with it. The thread that executes monitorenter gains ownership of the monitor associated with objectref. If another thread already owns the monitor associated with objectref, the current thread waits until the object is unlocked,

每個物件都有一個監視器(Moniter)與它相關聯，執行moniterenter指令的執行緒將獲得與objectref關聯的監視器的所有權，如果另一個執行緒已經擁有與objectref關聯的監視器，則當前執行緒將等待直到物件被解鎖為止，

A monitorenter instruction may be used with one or more monitorexit instructions to implement a synchronized statement in the Java programming language. The monitorenter and monitorexit instructions are not used in the implementation of synchronized methods

重點來了，上面這段介紹了兩點：

通過monitorenter和monitorexit指令來實作Java語言的同步代碼塊(后面有代碼示例)
monitorenter和monitorexit指令沒有被用在同步方法上！！！

2.2 同步方法的實作

先看下JVM規范里怎么說的

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se6/html/Compiling.doc.html#6530 (參考來源)

A synchronized method is not normally implemented using monitorenter and monitorexit. Rather, it is simply distinguished in the runtime constant pool by the ACC_SYNCHRONIZED flag, which is checked by the method invocation instructions. When invoking a method for which ACC_SYNCHRONIZED is set, the current thread acquires a monitor, invokes the method itself, and releases the monitor whether the method invocation completes normally or abruptly.

上面這段話主要講了幾點：

同步方法的實作不是基于monitorenter和monitorexit指令來實作的
在運行時常量池里通過ACC_SYNCHRONIZED來區分是否是同步方法，方法執行時會檢查該標志
當一個方法有這個標志的時候，進入的執行緒首先需要獲得監視器才能執行該方法
方法結束或者拋例外時會釋放監視器

public class TestSyn {

    private int i=0;

    // 同步方法
    public synchronized void incer(){
        i++;
    }

    // 同步代碼塊
    public  void decr(){
        synchronized (this) {
            i--;
        }
    }
}

可以通過反編譯位元組碼來查看底層是怎么實作的

// 得到位元組碼
javac TestSyn.java

// 反編譯位元組碼
javap -v TestSyn.class

同步代碼塊的反編譯結果如下：

同步方法的反編譯結果如下：

3.鎖升級

3.1 Java物件頭介紹

物件的記憶體布局

在我們常見的HotSpot虛擬機中物件由三部分組成，分別是物件頭，實體資料，以及對齊填充位，

其中物件頭是跟鎖資訊相關的部分，在物件頭里會存盤該物件運行時資料，包括哈希嗎，GC分代年齡，鎖狀態(無鎖，偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖)，是否偏向鎖，偏向執行緒ID等資訊，

存盤上述這些的區域叫做Mark Word(標記詞)，除了這部分物件頭還有一部磁區域用來存盤型別指標，可以通過該型別指標來定位物件的元資料資訊，下面重點看下，物件頭的記憶體布局，因為這部分是跟我們這次相關的，

物件在記憶體中的表示如下圖：

物件頭的結構表示如下圖：

mark word的表示如下圖：

3.2 什么是鎖升級

下面舉個搶茅坑的例子來解釋一下鎖升級程序，

當只有一個執行緒訪問時叫做偏向鎖

假設我們每個廁所都有一把鑰匙，要想使用廁所首先必須得獲得鎖，某天上午員工甲急急忙忙的打完卡上廁所了，并在廁所門上貼了 “工號007使用中”的標簽，說明目前被工號007(相當于執行緒id)的員工占用呢,他再次向進入的時候只要上面的標簽還顯示工號007，他自己可以隨便進入，不需要再次上鎖了，有點偏向工號007員工的意思，所以這叫偏向鎖，

發生競爭的時候升級成輕量級鎖 (自旋等待)

員工甲正在使用廁所的時候，又來了兩個人想用廁所，但發現廁所被人使用著呢，無法獲得鎖，所以只能在外面等著甲出來，他們等的程序叫做“自旋”，這個叫做輕量級鎖，

那么又有一個問題，當甲出來之后正等著的那兩個人誰活得鎖呢？有兩種方式，按到達的順序來排隊或者不排隊，這兩種都可以實作，前者叫做公平鎖，后者叫做非公平鎖，

自旋等待沒結果的時候升級成重量級鎖

但那兩個人自旋一段時間之后發現甲還沒出來(JDK1.6規定為10次)，一直這么等也不是個法子啊，所以打算向上升級，找廁所管理員(作業系統)反饋，升級成了重量級鎖了，

鎖的狀態總共有四種，無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖，隨著鎖的競爭，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖，另外關注公眾號Java技術堆疊回復JVM46獲取一份46頁的JVM調優教程，

鎖升級程序中mark word的變化如下：

偏向鎖

偏向鎖也是JDK 1.6中引入的一項鎖優化，引入它是為了優化在沒有鎖競爭場景下的鎖消除，比如一段同步代碼一直是由單個執行緒呼叫，在這種場景下就沒必要使用同步鎖了，這里指的同步鎖不是指 synchronized，而是說沒不要到作業系統層面的互斥量了，

偏向鎖的偏向是指該同步代碼會一直偏向第一個呼叫它的執行緒,直到有別的執行緒過來競爭這把鎖，在第一次呼叫同步代碼并獲得鎖時會在物件頭和堆疊幀鎖記錄行(Lock Record)里存盤偏向執行緒Id,該執行緒在此進入的時候就不需要重新申請鎖了，只需檢測物件頭的Mark Word里是否存盤著指向該執行緒的ID即可，

直到又有執行緒來競爭這把鎖的時候偏向鎖會撤銷偏向，