本文總結下Synchronized關鍵字的底層實現原理。
一.synchronized介紹
synchronized是JVM內置鎖，通過內部對象Monitor（監視器鎖）來實現，基於進入與退出monitor對象來實現方法與代碼塊的同步，監視器鎖的實現，最終依賴操作系統的Mutex lock（互斥鎖）來實現。
二.synchronized使用方式
synchronized 主要有3種使用方式。
1.同步類方法
public synchronized void method()
{
// todo
}
鎖的是當前類對象；
2.同步代碼塊
public class TestNotes {
private static Object object;
public String decStock() {
synchronized (object) {
//todo
}
return "下單成功";
}
}
或者
public void run() {
synchronized(this) {
//todo
}
}
鎖的是括號裏面的對象；
3.修飾一個類
lass ClassName {
public void method() {
synchronized(ClassName.class) {
// todo
}
}
}
三.java對象組成
java對象由3部分組成：
- 對象頭 ：比較複雜，synchronized加的鎖，就保存在這裏面的某些數據位。對象頭大小是固定的；
- 實例數據 ：就是對象的業務數據；
- 對齊填充位 ：64位jvm，默認需要對象大小必須位8byte（字節）的整數倍，所以有時候需要對齊填充位。
Mark Word
其中，鎖的不同狀態，就是存在對象頭中的Mark Word區域中，
下圖是32位系統的Mark Word的區域具體分佈：
四.鎖的升級過程
synchronized鎖有如下4種狀態：
- 無鎖，不鎖住資源，多個線程只有一個能修改資源成功，其他線程會重試；
- 偏向鎖，同一個線程獲取同步資源時，沒有別人競爭時，去掉所有同步操作，相當於沒鎖；
- 輕量級鎖，多個線程搶奪同步資源時，沒有獲得鎖的線程使用CAS自旋等待鎖的釋放；
- 重量級鎖，多個線程搶奪同步資源時，使用操作系統的互斥量進行同步，沒有獲得鎖的線程阻塞等待喚醒；
鎖的升級過程：無鎖-》偏向鎖-》輕量級鎖-》重量級鎖。注意，升級並不一定是一級級升的，有可能跨級別，比如由無鎖狀態，直接升級爲輕量級鎖。
下面，我們以這段代碼爲例，分析以下鎖的具體升級過程：
public class TestNotes {
private static Object object;
//減庫存
public String decStock() {
synchronized (object) {
//todo
}
return "下單成功";
}
}
這段代碼中，synchronized鎖的是object實例對象，鎖的具體狀態，就保存在object對象頭部的markword區域。
1. 無鎖狀態：
步驟說明：
1.synchronized鎖的object對象頭部markword區域，最開始鎖狀態標誌位，默認值就是001，也就是無鎖狀態。
2. 偏向鎖狀態：
某刻，線程1執行到同步代碼塊，虛擬機會使用CAS嘗試修改狀態標誌位，修改爲偏向鎖狀態，並且把線程1的線程ID記錄到markword區域的23bit位，進入偏向鎖狀態，如下圖：
進入偏向鎖狀態後，如果沒有其他線程競爭，線程1後續再次訪問同步代碼塊時，猶如沒有鎖一樣，jvm不會再進行CAS加鎖、解鎖等步驟，直接運行同步塊代碼。直到線程1執行完畢後，jvm會釋放偏向鎖，將markword的標識位恢復初始狀態。
3. 輕量級鎖狀態：
線程1在持有偏向鎖期間，線程2來了，下圖右側部分是線程2執行過程：
線程2訪問同步代碼塊，嘗試獲取鎖；此時jvm會檢查線程1的狀態，因爲線程1還持有鎖，jvm不能撤銷線程1的鎖，此時，jvm就會把鎖升級位輕量級鎖，也就是這個23bit區域存了線程1的地址，指向線程1的線程棧中的某塊區域；同時線程棧的這塊內存也保存了指向markword的引用，相當於兩塊區域互換了內容。
上文中描述的過程，是由無鎖，然後變爲偏向鎖，然後是輕量級鎖；
但是有些場景，鎖會直接由無鎖升級爲輕量級鎖，比如下圖過程：
上圖中，某一時刻，同時有兩個線程執行到同步代碼塊，但實際肯定只能有一個線程先進入，假如是線程1，那麼此時就會直接進輕量級鎖狀態。
此時，線程2就會進行CAS自旋，尋找機會獲取輕量級鎖，如下圖：
4. 重量級鎖狀態：
上圖中，進入輕量級鎖狀態後，線程2還會繼續自旋嘗試獲取鎖；這個時候，synchronized並不會立即進入重量級鎖狀態，而是等到線程2 自旋達到一定次數後，jvm才膨脹爲下圖的重量級鎖。這個自旋次數，jdk7及以後可以通過jvm參數設置。
線程1執行完同步代碼塊，jvm嘗試釋放鎖，修改markword爲初始的無鎖狀態，在釋放鎖的時候，發現已經是重量鎖了，說明有其他線程競爭，並且其他線程肯定已經進入了阻塞狀態，那麼jvm在釋放鎖之後，還會喚醒其他進入阻塞狀態的線程。
五.總結
synchronized在jdk 1.6版本進行了優化，性能有了巨大提升，基本上和java鎖性能沒有什麼差異，所以在生產環境中，synchronized能滿足的場景，儘量使用synchronized，簡單方便。
優化的關鍵，是加入了輕量級鎖，使用CAS，還有自適應機制，避免了向底層操作系統申請互斥量，避免了用戶態和內核態的切換，也就是在一定程度上避免了線程上下文的切換，暫時不進入重量級鎖的狀態。