Synchronized 底层原理

• 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中，拿到锁之后，才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。
• 下面会具体讲解 Monitor 是什么

Java 对象头

• 以32位虚拟机为例：

• 普通对象：

• 数组对象：

  

• 其中 Mark Word 的结构，如下图所示：

  

• 所以一个 Java 对象的结构如下：

  

Monitor

• Monitor 被翻译为监视器或者说管程
• 每个 java 对象都可以关联一个 Monitor ，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级），该 Java 对象头的 Mark Word 中就被设置为指向 Monitor 对象的指针。

• 当线程执行到临界区代码时，如果使用了synchronized，会先查询synchronized中所指定的对象(obj)是否绑定了Monitor。
  • 如果没有绑定，则会先去与Monitor绑定，并且将Owner设为当前线程。
  • 如果已经绑定，则会去查询该Monitor是否已经有了Owner
    • 如果没有，则Owner与将当前线程绑定
    • 如果有，则放入EntryList，进入阻塞状态(blocked)
• 当Monitor的Owner将临界区中代码执行完毕后，Owner便会被清空，此时EntryList中处于阻塞状态的线程会被叫醒并竞争，此时的竞争是非公平的。什么是非公平呢？非公平就是无法保证先来的线程优先获取锁。公平锁：公平锁就是保障了多线程下各线程获取锁的顺序，先到的线程优先获取锁。

Synchronized 的优化(jdk 6)

轻量级锁

• 调用 synchronized 去加锁的时候，会优先使用轻量级锁去加锁，如果失败了，才会使用重量级锁去加锁

• 轻量级锁的使用场景是：如果一个对象虽然有多个线程要对它进行加锁，但是加锁的时间是错开的（也就是没有线程竞争），那么可以使用轻量级锁来进行优化。轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized

• 具体加锁过程：

  • 每次运行到 synchronized 代码块时，都会在线程的栈中创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都会包括一个锁记录的结构，锁记录内部可以储存对象的 Mark Word 和对象引用 reference

    

  • 让锁记录中的 Object reference 指向对象，并且尝试用 cas(compare and swap) 替换 Object 对象的 Mark Word ，将 Mark Word 的值存入锁记录中。

    

  • 如果 cas 替换成功，那么对象的对象头储存的就是锁记录的地址和 State状态 00 表示轻量级锁，如下所示

    

  • 如果cas失败，有两种情况

  • 1.如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，那么表示有竞争，首先会进行自旋锁，自旋一定次数后，如果还是失败就进入锁膨胀阶段。

  • 2.如果是自己的线程已经执行了 synchronized 进行加锁，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数。

    

  • 当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的是取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一

    

  • 当线程退出 synchronized 代码块的时候，如果获取的锁记录取值不为 null，那么使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象

    • 成功则解锁成功
    • 失败，则说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

• 如果在尝试加轻量级锁的过程中，cas 操作无法成功，这是有一种情况就是其它线程已经为这个对象加上了轻量级锁，这时就要进行锁膨胀，将轻量级锁变成重量级锁。

• 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

  

• 这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程

  • 即为对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址

  • 然后自己进入Monitor 的EntryList 变成BLOCKED状态

    

• 当 Thread-0 退出 synchronized 同步块时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，对象的对象头指向 Monitor，那么会进入重量级锁的解锁过程，即按照 Monitor 的地址找到 Monitor 对象，将 Owner 设置为 null ，唤醒 EntryList 中的 Thread-1 线程

自旋优化

• 重量级锁竞争的时候，没争抢到锁的线程不立即进入 EntryList 阻塞，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即在自旋的时候持锁的线程释放了锁），那么当前线程就可以不用进行上下文切换就获得了锁
• 自旋重试成功的情况

• 自旋重试失败的情况，自旋了一定次数还是没有等到持锁的线程释放锁

• 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

偏向锁

• 在轻量级锁中，我们可以发现，如果同一个线程对同一个对象进行重入锁时，也需要执行 CAS 操作，这是有点耗时滴，那么 java6 开始引入了偏向锁，只有第一次使用 CAS 时将对象的 Mark Word 头设置为偏向线程 ID，之后这个入锁线程再进行重入锁时，发现线程 ID 是自己的，那么就不用再进行CAS了。
• 分析代码，比较轻量级锁与偏向锁

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {synchronized(obj) {// 同步块 Am2();}
}
public static void m2() {synchronized(obj) {// 同步块 Bm3();}
}
public static void m3() {synchronized(obj) {// 同步块 C}
}

• 分析如图：

• 偏向锁的对象头格式如下：

• 一个对象的创建过程
  • 如果开启了偏向锁（默认是开启的），那么对象刚创建之后，Mark Word 最后三位的值101，并且这是它的 Thread，epoch，age 都是 0 ，在加锁的时候进行设置这些的值.
  • 偏向锁默认是延迟的，不会在程序启动的时候立刻生效，如果想避免延迟，可以添加虚拟机参数来禁用延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
  • 注意：处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

撤销偏向锁

• 以下几种情况会使对象的偏向锁失效

  • 调用对象的 hashCode 方法

  • 其他线程使用该对象，会将偏向锁升级为轻量级锁

  • 调用了 wait/notify 方法（调用wait方法会导致锁膨胀而使用重量级锁）

批量重偏向

• 如果对象虽然被多个线程访问，但是线程间不存在竞争，这时偏向 t1 的对象仍有机会重新偏向 t2
  • 重偏向会重置Thread ID
• 当撤销超过20次后（超过阈值），JVM 会觉得是不是偏向错了，这时会在给对象加锁时，重新偏向至加锁线程。

批量撤销

• 当撤销偏向锁的阈值超过 40 以后，就会将整个类的对象都改为不可偏向的

锁撤销

• JIT 即时编译器，会进行优化

d ID

• 当撤销超过20次后（超过阈值），JVM 会觉得是不是偏向错了，这时会在给对象加锁时，重新偏向至加锁线程。

批量撤销

• 当撤销偏向锁的阈值超过 40 以后，就会将整个类的对象都改为不可偏向的

锁撤销

• JIT 即时编译器，会进行优化