synchronized的三種應用方式
synchronized關鍵字最主要有以下幾種應用方式
java對象頭
在JVM中，對象在內存中的佈局分爲三塊區域：對象頭、實例數據和對齊填充。
- 實例變量：存放類的屬性數據信息，包括父類的屬性信息，如果是數組的實例部分還包括數組的長度，這部分內存按4字節對齊。
- 填充數據：由於虛擬機要求對象起始地址必須是8字節的整數倍。填充數據不是必須存在的，僅僅是爲了字節對齊，這點了解即可。
是Java頭對象，它實現synchronized的鎖對象的基礎，這點我們重點分析它，一般而言，synchronized使用的鎖對象是存儲在Java對象頭裏的，jvm中採用2個字來存儲對象頭(如果對象是數組則會分配3個字，多出來的1個字記錄的是數組長度)，其主要結構是由Mark Word 和 Class Metadata Address 組成，其結構說明如下表
| 虛擬機位數 | 頭對象結構 | 說明 |
|---|---|---|
| 32/64bit | Mark Word | 存儲對象的hashCode、鎖信息或分代年齡或GC標誌等信息 |
| 32/64bit | Class Metadata Address | 類型指針指向對象的類元數據，JVM通過這個指針確定該對象是哪個類的實例。 |
其中Mark Word在默認情況下存儲着對象的HashCode、分代年齡、鎖標記位等以下是32位JVM的Mark Word默認存儲結構
| 鎖狀態 | 25bit | 4bit | 1bit是否是偏向鎖 | 2bit 鎖標誌位 |
|---|---|---|---|---|
| 無鎖狀態 | 對象HashCode | 對象分代年齡 | 0 | 01 |
Mark Word 被設計成爲一個非固定的數據結構，以便存儲更多有效的數據，它會根據對象本身的狀態複用自己的存儲空間，如32位JVM下，除了上述列出的Mark Word默認存儲結構外，還有如下可能變化的結構：
synchronized的原理
synchronized代碼塊
package com.own.learn.concurrent._synchronized;
public class SynchronizedCoodeBlockDemo {
static Integer flag = new Integer(0);
public int i;
public void syncTask() {
synchronized (flag) {
i++;
}
}
}查看字節碼：javap -v com/own/learn/concurrent/_synchronized/SynchronizedCoodeBlockDemo，只拿到syncTask方法
public void syncTask();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=3, args_size=1
0: getstatic #2 // Field flag:Ljava/lang/Integer;
3: dup
4: astore_1
5: monitorenter
6: aload_0
7: dup
8: getfield #3 // Field i:I
11: iconst_1
12: iadd
13: putfield #3 // Field i:I
16: aload_1
17: monitorexit
18: goto 26
21: astore_2
22: aload_1
23: monitorexit
24: aload_2
25: athrow
26: return
Exception table:
from to target type
6 18 21 any
21 24 21 any
LineNumberTable:
line 10: 0
line 11: 6
line 12: 16
line 13: 26
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 27 0 this Lcom/own/learn/concurrent/_synchronized/SynchronizedCoodeBlockDemo;
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 255 /* full_frame */
offset_delta = 21
locals = [ class com/own/learn/concurrent/_synchronized/SynchronizedCoodeBlockDemo, class java/lang/Object ]
stack = [ class java/lang/Throwable ]
frame_type = 250 /* chop */
offset_delta = 4從字節碼中可知同步語句塊的實現使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令，其中monitorenter指令指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令則指明同步代碼塊的結束位置，當執行monitorenter指令時，當前線程將試圖獲取 objectref(即對象鎖) 所對應的 monitor 的持有權，當 objectref 的 monitor 的進入計數器爲 0，那線程可以成功取得 monitor，並將計數器值設置爲 1，取鎖成功。如果當前線程已經擁有 objectref 的 monitor 的持有權，那它可以重入這個 monitor (關於重入性稍後會分析)，重入時計數器的值也會加 1。倘若其他線程已經擁有 objectref 的 monitor 的所有權，那當前線程將被阻塞，直到正在執行線程執行完畢，即monitorexit指令被執行，執行線程將釋放 monitor(鎖)並設置計數器值爲0 ，其他線程將有機會持有 monitor 。值得注意的是編譯器將會確保無論方法通過何種方式完成，方法中調用過的每條 monitorenter 指令都有執行其對應 monitorexit 指令，而無論這個方法是正常結束還是異常結束。爲了保證在方法異常完成時 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正確配對執行，編譯器會自動產生一個異常處理器，這個異常處理器聲明可處理所有的異常，它的目的就是用來執行 monitorexit 指令。從字節碼中也可以看出多了一個monitorexit指令，它就是異常結束時被執行的釋放monitor 的指令。
synchronized方法底層原理
方法級的同步是隱式，即無需通過字節碼指令來控制的，它實現在方法調用和返回操作之中。JVM可以從方法常量池中的方法表結構(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標誌區分一個方法是否同步方法。當方法調用時，調用指令將會 檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標誌是否被設置，如果設置了，執行線程將先持有monitor（虛擬機規範中用的是管程一詞）， 然後再執行方法，最後再方法完成(無論是正常完成還是非正常完成)時釋放monitor。在方法執行期間，執行線程持有了monitor，其他任何線程都無法再獲得同一個monitor。如果一個同步方法執行期間拋 出了異常，並且在方法內部無法處理此異常，那這個同步方法所持有的monitor將在異常拋到同步方法之外時自動釋放
package com.own.learn.concurrent._synchronized;
public class SynchronizedMethodDemo {
public int i;
public synchronized void syncTask() {
i++;
}
}
用javap查看字節碼：
public synchronized void syncTask();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
stack=3, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: getfield #2 // Field i:I
5: iconst_1
6: iadd
7: putfield #2 // Field i:I
10: return
LineNumberTable:
line 9: 0
line 10: 10
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 11 0 this Lcom/own/learn/concurrent/_synchronized/SynchronizedMethodDemo;
}
SourceFile: "SynchronizedMethodDemo.java"synchronized修飾的方法並沒有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的確實是ACC_SYNCHRONIZED標識，該標識指明瞭該方法是一個同步方法，JVM通過該ACC_SYNCHRONIZED訪問標誌來辨別一個方法是否聲明爲同步方法，從而執行相應的同步調用。這便是synchronized鎖在同步代碼塊和同步方法上實現的基本原理
Java虛擬機對synchronized的優化
Java早期版本中，synchronized屬於重量級鎖，效率低下，因爲監視器鎖（monitor）是依賴於底層的操作系統的Mutex Lock來實現的，而操作系統實現線程之間的切換時需要從用戶態轉換到核心態，這個狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高，這也是爲什麼早期的synchronized效率低的原因。慶幸的是在Java 6之後Java官方對從JVM層面對synchronized較大優化，所以現在的synchronized鎖效率也優化得很不錯了，Java 6之後，爲了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，引入了輕量級鎖和偏向鎖，接下來我們將簡單瞭解一下Java官方在JVM層面對synchronized鎖的優化。
偏向鎖
HotSpot的作者經過研究發現，大多數情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，爲了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。
偏向鎖的獲取
當一個線程訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄裏存儲鎖偏向的線程ID，以後該線程在進入和退出同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下對象頭的Mark Word裏是否存儲着指向當前線程的偏向鎖。如果測試成功，表示線程已經獲得了鎖。如果測試失敗，則需要再測試一下Mark Word中偏向鎖的標識是否設置成1（表示當前是偏向鎖）：如果沒有設置，則使用CAS競爭鎖；如果設置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程
偏向鎖的撤銷
偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，所以當其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程纔會釋放鎖。
偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點（在這個時間點上沒有正在執行的字節碼）。它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，然後檢查持有偏向鎖的線程是否活着，如果線程不處於活動狀態，則將對象頭設置成無鎖狀態；如果線程仍然活着，擁有偏向鎖的棧會被執行，遍歷偏向對象的鎖記錄，棧中的鎖記錄和對象頭的Mark Word要麼重新偏向於其他線程，要麼恢復到無鎖或者標記對象不適合作爲偏向鎖，最後喚醒暫停的線程。
下圖線程1展示了偏向鎖獲取的過程，線程2展示了偏向鎖撤銷的過程。
如何關閉偏向鎖
偏向鎖在Java 6和Java 7裏是默認啓用的，但是它在應用程序啓動幾秒鐘之後才激活，如有必要可以使用JVM參數來關閉延遲：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你確定應用程序裏所有的鎖通常情況下處於競爭狀態，可以通過JVM參數關閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking=false，那麼程序默認會進入輕量級鎖狀態
輕量級鎖
加鎖
線程在執行同步塊之前，JVM會先在當前線程的棧楨中創建用於存儲鎖記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱爲Displaced Mark Word。然後線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換爲指向鎖記錄的指針。如果成功，當前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競爭鎖，當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖
解鎖
輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到對象頭，如果成功，則表示沒有競爭發生。如果失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。
下圖是兩個線程同時爭奪鎖，導致鎖膨脹的流程圖。
因爲自旋會消耗CPU，爲了避免無用的自旋（比如獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態。當鎖處於這個狀態下，其他線程試圖獲取鎖時，都會被阻塞住，當持有鎖的線程釋放鎖之後會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進行新一輪的奪鎖之爭。
自旋鎖
輕量級鎖失敗後，虛擬機爲了避免線程真實地在操作系統層面掛起，還會進行一項稱爲自旋鎖的優化手段。這是基於在大多數情況下，線程持有鎖的時間都不會太長，如果直接掛起操作系統層面的線程可能會得不償失，畢竟操作系統實現線程之間的切換時需要從用戶態轉換到核心態，這個狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高，因此自旋鎖會假設在不久將來，當前的線程可以獲得鎖，因此虛擬機會讓當前想要獲取鎖的線程做幾個空循環(這也是稱爲自旋的原因)，一般不會太久，可能是50個循環或100循環，在經過若干次循環後，如果得到鎖，就順利進入臨界區。如果還不能獲得鎖，那就會將線程在操作系統層面掛起，這就是自旋鎖的優化方式，這種方式確實也是可以提升效率的。最後沒辦法也就只能升級爲重量級鎖了。
鎖消除
消除鎖是虛擬機另外一種鎖的優化，這種優化更徹底，Java虛擬機在JIT編譯時(可以簡單理解爲當某段代碼即將第一次被執行時進行編譯，又稱即時編譯)，通過對運行上下文的掃描，去除不可能存在共享資源競爭的鎖，通過這種方式消除沒有必要的鎖，可以節省毫無意義的請求鎖時間，如下StringBuffer的append是一個同步方法，但是在add方法中的StringBuffer屬於一個局部變量，並且不會被其他線程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享資源競爭的情景，JVM會自動將其鎖消除。
public class StringBufferRemoveSync {
public void add(String str1, String str2) {
//StringBuffer是線程安全,由於sb只會在append方法中使用,不可能被其他線程引用
//因此sb屬於不可能共享的資源,JVM會自動消除內部的鎖
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(str1).append(str2);
}
public static void main(String[] args) {
StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
rmsync.add("abc", "123");
}
}
}