複習synchronized之底層原理

synchronized是什麼

• 關鍵字，Java利用鎖機制實現線程同步的一種方式。
• Java實現線程同步的方式：
  1.顯式鎖（lock，需要自己寫代碼去獲取鎖和釋放鎖）；
  2.隱式鎖（synchronized，自動的）。

synchronized的保證的特性

• 原子性：被synchronized關鍵字包裹起來的方法或者代碼塊可以認爲是原子的。因爲在鎖未釋放之前，這段代碼無法被其他線程訪問到，所以從一個線程觀察另外一個線程的時候，看到的都是一個個原子性的操作。在Java中，synchronized對應着兩個字節碼指令monitorenter和monitorexit。通過monitorenter和monitorexit指令，可以保證被synchronized修飾的代碼在同一時間只能被一個線程訪問，在鎖未釋放之前，無法被其他線程訪問到。
• 可見性：根據JMM（Java Memory Model，Java內存模型）機制，內存主要分爲主內存和工作內存兩種，線程工作時會從主內存中拷貝一份變量到工作內存中。
  JMM對synchronized做了2條規定：
  1.線程解鎖前，必須把變量的最新值刷新到主內存中。
  2.線程加鎖時，先清空工作內存中的變量值，從主內存中重新獲取最新值到工作內存中。
• 有序性：synchronized可以保證一定程度的有序性，但其是不能禁止指令重排序的，synchronized 代碼塊裏的非原子操作依舊可能發生指令重排。
  這裏要先說一個概念，as-if-serial語義，其是指不管怎麼重排序（編譯器和處理器爲了提高並行度），單線程程序的執行結果都不能被改變。編譯器和處理器無論如何優化，都必須遵守as-if-serial語義。
  as-if-serial語義保證了單線程中指令重排序是有一些限制的，即無論怎麼重排序，都不能影響到單線程執行的結果。而synchronized保證了這一塊程序在同一時間內只能被同一線程訪問，所以其也算是保證了有序性。

synchronized的作用

它的作用有三點：

• 確保線程互斥的訪問同步代碼
• 保證共享爲師的修改及時可見
• 有效解決指令重排，但是不能禁止（synchronized同步中的代碼，JVM不會輕易優化重排序）

synchronized怎麼用

1. 修飾方法

//普通方法
//鎖對象
public synchronized void synTest (){
	//TODO
}

//靜態方法
//鎖類
public  class SynClass {
	 public static synchronized void show (){}
}

2. 修飾代碼塊

public  class SynClass {
	//鎖類
	public static void main(String[] args) {
		synchronized(SynClass.class){
			//TODO
		}
	}

}

public  class SynClass {
	//鎖對象
	Object lock = new Object();
	
	public void show(){
		synchronized(lock){
			//TODO
		}
	}
}

有兩種加鎖方式：

• 對象鎖
• 類鎖

synchronized是怎麼實現的

• Java虛擬機中的同步是基於監視器（Monitor）對象實現的，待會細說。瞭解一個概念先

Java對象頭
在JVM中對象在內存中的佈局分三塊：對象頭、實例變量、對齊填充。

• 對象頭是實現synchronized的鎖對象的基礎
• 主要結構是由Mark Word 和 Class Metadata Address 組成
  
  
  Mark Word默認存儲結構外，還有如下可能變化的結構：
  monitor對象存在於每個Java對象的對象頭中(存儲的指針的指向)，synchronized鎖便是通過這種方式獲取鎖的，也是爲什麼Java中任意對象可以作爲鎖的原因。

synchronized代碼塊底層原理

• 定義一個synchronized修飾的同步代碼塊，在代碼塊中操作共享變量i

public class SyncCodeBlock {

   public int i;

   public void syncTask(){
       //同步代碼庫
       synchronized (this){
           i++;
       }
   }
}

編譯上述代碼並使用javap反編譯後得到字節碼如下(這裏我們省略一部分沒有必要的信息)：

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncCodeBlock.class
  Last modified 2020-5-5; size 426 bytes
  MD5 checksum c80bc322c87b312de760942820b4fed5
  Compiled from "SyncCodeBlock.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
  //........省略常量池中數據
  //構造函數
  public com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
  //===========主要看看syncTask方法實現================
  public void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter  //注意此處，進入同步方法
         4: aload_0
         5: dup
         6: getfield      #2             // Field i:I
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putfield      #2            // Field i:I
        14: aload_1
        15: monitorexit   //注意此處，退出同步方法
        16: goto          24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit //注意此處，退出同步方法
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:
      //省略其他字節碼.......
}
SourceFile: "SyncCodeBlock.java"

主要看字節碼中的如下代碼：

3: monitorenter  //進入同步方法
//..........省略其他  
15: monitorexit   //退出同步方法
16: goto          24
//省略其他.......
21: monitorexit //退出同步方法

• 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，重入時計數器的值也會加 1。
• 如果其他線程已經擁有 objectref 的 monitor 的所有權，那麼當前線程將被阻塞，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 。

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。下面我們看看字節碼層面如何實現：

public class SyncMethod {

   public int i;

   public synchronized void syncTask(){
           i++;
   }
}

用javap反編譯後的字節碼：

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncMethod.class
  Last modified 2020-5-5; size 308 bytes
  MD5 checksum f34075a8c059ea65e4cc2fa610e0cd94
  Compiled from "SyncMethod.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncMethod
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool;

   //省略沒必要的字節碼
  //==================syncTask方法======================
  public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    //方法標識ACC_PUBLIC代表public修飾，ACC_SYNCHRONIZED指明該方法爲同步方法
    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 12: 0
        line 13: 10
}
SourceFile: "SyncMethod.java"

• synchronized修飾的方法並沒有monitorenter指令和monitorexit指令。
• 取得代之的是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。
• 在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。
• 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.