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Synchronized解析——如果你愿意一层一层剥开我的心

前言

synchronized，是解决并发情况下数据同步访问问题的一把利刃。那么synchronized的底层原理是什么呢？下面我们来一层一层剥开它的心，就像剥洋葱一样，看个究竟。

Synchronized的使用场景

synchronized关键字可以作用于方法或者代码块，最主要有以下几种使用方式，如图：

Synchronized解析——如果你愿意一层一层剥开我的心-LMLPHP

接下来，我们先剥开synchronized的第一层，反编译其作用的代码块以及方法。

synchronized作用于代码块

public class SynchronizedTest {

    public void doSth(){

        synchronized (SynchronizedTest.class){

            System.out.println("test Synchronized" );

        }

    }

}

反编译，可得：

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由图可得，添加了synchronized关键字的代码块，多了两个指令monitorenter、monitorexit。即JVM使用monitorenter和monitorexit两个指令实现同步，monitorenter、monitorexit又是怎样保证同步的呢？我们等下剥第二层继续探索。

synchronized作用于方法

 public synchronized void doSth(){

            System.out.println("test Synchronized method" );

    }

反编译，可得：

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由图可得，添加了synchronized关键字的方法，多了ACC_SYNCHRONIZED标记。即JVM通过在方法访问标识符(flags)中加入ACC_SYNCHRONIZED来实现同步功能。

monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED

剥完第一层，反编译synchronized的方法以及代码块，我们已经知道synchronized是通过monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED实现同步的，它们三作用都是啥呢？我们接着剥第二层：

monitorenter

monitorenter指令介绍

谷歌翻译一下，如下：

可以看一下以下的图，便于理解用：

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monitorexit

monitorexit指令介绍

谷歌翻译一下，如下：

可以看一下以下的图，便于理解用：

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ACC_SYNCHRONIZED

ACC_SYNCHRONIZED介绍

谷歌翻译一下，如下：

可以看一下这个流程图：

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Synchronized第二层的总结

  • 同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现，当线程执行到monitorenter的时候要先获得monitor锁，才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁。
  • 同步方法是通过中设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现，当线程执行有ACC_SYNCHRONI标志的方法，需要获得monitor锁。
  • 每个对象维护一个加锁计数器，为0表示可以被其他线程获得锁，不为0时，只有当前锁的线程才能再次获得锁。
  • 同步方法和同步代码块底层都是通过monitor来实现同步的。
  • 每个对象都与一个monitor相关联，线程可以占有或者释放monitor。

好的，剥到这里，我们还有一些不清楚的地方，monitor是什么呢，为什么它可以实现同步呢？对象又是怎样跟monitor关联的呢？客观别急，我们继续剥下一层，请往下看。

monitor监视器

montor到底是什么呢？我们接下来剥开Synchronized的第三层，monitor是什么？ 它可以理解为一种同步工具，或者说是同步机制，它通常被描述成一个对象。操作系统的管程是概念原理，ObjectMonitor是它的原理实现。

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操作系统的管程

  • 管程 (英语：Monitors，也称为监视器) 是一种程序结构，结构内的多个子程序（对象或模块）形成的多个工作线程互斥访问共享资源。
  • 这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。管程实现了在一个时间点，最多只有一个线程在执行管程的某个子程序。
  • 与那些通过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比，管程实现很大程度上简化了程序设计。
  • 管程提供了一种机制，线程可以临时放弃互斥访问，等待某些条件得到满足后，重新获得执行权恢复它的互斥访问。

ObjectMonitor

ObjectMonitor数据结构

在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor（管程）是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下：

 ObjectMonitor() {

    _header       = NULL;

    _count        = 0; // 记录个数

    _waiters      = 0,

    _recursions   = 0;

    _object       = NULL;

    _owner        = NULL;

    _WaitSet      = NULL;  // 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet

    _WaitSetLock  = 0 ;

    _Responsible  = NULL ;

    _succ         = NULL ;

    _cxq          = NULL ;

    FreeNext      = NULL ;

    _EntryList    = NULL ;  // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表

    _SpinFreq     = 0 ;

    _SpinClock    = 0 ;

    OwnerIsThread = 0 ;

  }

ObjectMonitor关键字

ObjectMonitor中几个关键字段的含义如图所示：

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工作机理

Java Monitor 的工作机理如图所示：

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  • 想要获取monitor的线程,首先会进入_EntryList队列。
  • 当某个线程获取到对象的monitor后,进入_Owner区域，设置为当前线程,同时计数器_count加1。
  • 如果线程调用了wait()方法，则会进入_WaitSet队列。它会释放monitor锁，即将_owner赋值为null,_count自减1,进入_WaitSet队列阻塞等待。
  • 如果其他线程调用 notify() / notifyAll() ，会唤醒_WaitSet中的某个线程，该线程再次尝试获取monitor锁，成功即进入_Owner区域。
  • 同步方法执行完毕了，线程退出临界区，会将monitor的owner设为null，并释放监视锁。

为了形象生动一点，举个例子：

  synchronized(this){  //进入_EntryList队列

            doSth();

            this.wait();  //进入_WaitSet队列

        }

OK，我们又剥开一层，知道了monitor是什么了，那么对象又是怎样跟monitor关联呢？各位帅哥美女们，我们接着往下看，去剥下一层。

对象与monitor关联

对象是如何跟monitor关联的呢？直接先看图：

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看完上图，其实对象跟monitor怎样关联，我们已经有个大概认识了，接下来我们分对象内存布局，对象头，MarkWord一层层继续往下探讨。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header），实例数据（Instance Data）和对象填充（Padding）。

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  • 实例数据：对象真正存储的有效信息，存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；
  • 对齐填充：由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。
  • 对象头：Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Class Pointer（类型指针）。

对象头

对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Class Pointer（类型指针）。

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  • Class Pointer:是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例
  • Mark Word : 用于存储对象自身的运行时数据，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

Mark word

Mark Word 用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等。

在32位的HotSpot虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态下，那么Mark Word的32bit空间里的25位用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0，表示非偏向锁。其他状态如下图所示：

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  • 前面分析可知，monitor特点是互斥进行，你再喵一下上图，重量级锁，指向互斥量的指针。
  • 其实synchronized是重量级锁，也就是说Synchronized的对象锁，Mark Word锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。
  • 顿时，是不是感觉柳暗花明又一村啦！对象与monitor怎么关联的？答案：Mark Word重量级锁，指针指向monitor地址。

Synchronized剥开第四层小总结

对象与monitor怎么关联？

  • 对象里有对象头
  • 对象头里面有Mark Word
  • Mark Word指针指向了monitor

锁优化

事实上，只有在JDK1.6之前，synchronized的实现才会直接调用ObjectMonitor的enter和exit，这种锁被称之为重量级锁。一个重量级锁，为啥还要经常使用它呢？ 从JDK6开始，HotSpot虚拟机开发团队对Java中的锁进行优化，如增加了适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等优化策略。

自旋锁

何为自旋锁？

自旋锁是指当一个线程尝试获取某个锁时，如果该锁已被其他线程占用，就一直循环检测锁是否被释放，而不是进入线程挂起或睡眠状态。

为何需要自旋锁？

线程的阻塞和唤醒需要CPU从用户态转为核心态，频繁的阻塞和唤醒显然对CPU来说苦不吭言。其实很多时候，锁状态只持续很短一段时间，为了这段短暂的光阴，频繁去阻塞和唤醒线程肯定不值得。因此自旋锁应运而生。

自旋锁应用场景

自旋锁适用于锁保护的临界区很小的情况，临界区很小的话，锁占用的时间就很短。

自旋锁一些思考

在这里，我想谈谈，为什么ConcurrentHashMap放弃分段锁，而使用CAS自旋方式，其实也是这个道理。

锁消除

何为锁消除？

锁削除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行削除。

锁消除一些思考

在这里，我想引申到日常代码开发中，有一些开发者，在没并发情况下，也使用加锁。如没并发可能，直接上来就ConcurrentHashMap。

锁粗化

何为锁租化？

锁粗话概念比较好理解，就是将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。

为何需要锁租化？

在使用同步锁的时候，需要让同步块的作用范围尽可能小—仅在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样做的目的是 为了使需要同步的操作数量尽可能缩小，如果存在锁竞争，那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。但是如果一系列的连续加锁解锁操作，可能会导致不必要的性能损耗，所以引入锁粗话的概念。

锁租化比喻思考

举个例子，买门票进动物园。老师带一群小朋友去参观，验票员如果知道他们是个集体，就可以把他们看成一个整体（锁租化），一次性验票过，而不需要一个个找他们验票。

总结

我们直接以一张Synchronized洋葱图作为总结吧，如果你愿意一层一层剥开我的心。

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