synchronized的实现原理

synchronized的实现原理

synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下三种形式：

• 对于普通同步方法，锁是当前实例对象
• 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象
• 对于同步代码块，锁是Synchronized括号里配置的对象

        在JVM中，synchronized方法同步和代码块同步是基于进入和退出Monitor对象来实现的。其中代码块的同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，而方法同步的实现在JVM规范中没有详细说明。

monitorenter指令是编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何一个对象都有一个monitor与之关联，当一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。

Java对象头

       synchronized用的锁是存在Java对象头里的。对象头中存储Mark Word、Class metadata Address和Array length（如果对象是数组），虚拟机用两个字宽存储对象头（数组类型用三个字宽）。Mark Word存储对象的hashCode、分代年龄和锁标记位；Class metadata Address存储到对象类型数据的指针；Array length是数组的长度。

其中Mark Word里存储的内容会随着锁标志位的变化而变化。

锁的升级和对比

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁，所以在Java SE 1.6中一共有4中状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。

锁可以升级不可以降级，目的是为了提高获得和释放锁的效率

1.偏向锁

经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得，为了让线程获取锁的代价更低引入了偏向锁。

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录中存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS *** 作来加锁和解锁，只需要简单测试一下对象头的Mark Word里是否存在指向该线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁；如果测试失败，则再测试该锁是否为偏向锁（Mark Word中偏向锁的标识是否为1）：如果不是，则使用CAS竞争该锁成为指向当前线程的偏向锁；如果是，同样尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

（1）偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点没有正在执行的字节码）。

（2）关闭偏向锁

偏向锁在Java 6和7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟后才激活，如果有必要可以使用JVM参数来关闭延迟。

如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，也可以通过JVM参数关闭偏向锁，那么锁会进入轻量级锁状态。

2.轻量级锁

（1）轻量级加锁

       线程在执行代码块之前，JVM会先在当前线程的栈帧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，则获得锁；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。

（2）轻量级解锁

解锁时，会使用原子的CAS *** 作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，则表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀为重量级锁。

3.锁的优缺点对比 锁优点缺点适用场景偏向锁加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳米级的差距如果线程存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗适用于只有一个线程访问同步块场景轻量级锁竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU

追求响应时间

同步块执行速度非常快

重量级锁线程竞争不需要自旋，不需要消耗CPU线程阻塞，响应时间缓慢

追求吞吐量

同步块执行速度较长

参考

《Java并发编程的艺术》