并发(三)–synchronized的理解（以及锁升级）

一、Synchronized的基本使用

Synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法，也是最简单的一种方法。

Synchronized的作用主要有三个：

• 确保线程互斥的访问同步代码
• 保证共享变量的修改能够及时可见
• 有效解决重排序问题。

从语法上讲，Synchronized总共有三种用法：

• 修饰普通方法
• 修饰静态方法
• 修饰代码块

接下来我就通过几个例子程序来说明一下这三种使用方式（为了便于比较，三段代码除了Synchronized的使用方式不同以外，其他基本保持一致）。

1、没有同步的情况：

代码段一：

package com.paddx.test.concurrent;public class SynchronizedTest {public void method1(){System.out.println("Method 1 start");try {System.out.println("Method 1 execute");Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Method 1 end");}public void method2(){System.out.println("Method 2 start");try {System.out.println("Method 2 execute");Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Method 2 end");}public static void main(String[] args) {final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.method1();}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.method2();}}).start();}
}

执行结果如下，线程1和线程2同时进入执行状态，线程2执行速度比线程1快，所以线程2先执行完成，这个过程中线程1和线程2是同时执行的。

Method 1 start
Method 1 execute
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end
Method 1 end

2、对普通方法同步：

代码段二：

package com.paddx.test.concurrent;public class SynchronizedTest {public synchronized void method1(){System.out.println("Method 1 start");try {System.out.println("Method 1 execute");Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Method 1 end");}public synchronized void method2(){System.out.println("Method 2 start");try {System.out.println("Method 2 execute");Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Method 2 end");}public static void main(String[] args) {final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.method1();}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.method2();}}).start();}
}

执行结果如下，跟代码段一比较，可以很明显的看出，线程2需要等待线程1的method1执行完成才能开始执行method2方法。

Method 1 start
Method 1 execute
Method 1 end
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end

3、静态方法（类）同步

代码段三：

package com.paddx.test.concurrent;public class SynchronizedTest {public static synchronized void method1(){System.out.println("Method 1 start");try {System.out.println("Method 1 execute");Thread.sleep(3000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Method 1 end");}public static synchronized void method2(){System.out.println("Method 2 start");try {System.out.println("Method 2 execute");Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Method 2 end");}public static void main(String[] args) {final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();final SynchronizedTest test2 = new SynchronizedTest();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.method1();}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test2.method2();}}).start();}}

执行结果如下，对静态方法的同步本质上是对类的同步（静态方法本质上是属于类的方法，而不是对象上的方法），所以即使test和test2属于不同的对象，但是它们都属于SynchronizedTest类的实例，所以也只能顺序的执行method1和method2，不能并发执行。

Method 1 start
Method 1 execute
Method 1 end
Method 2 start
Method 2 execute
Method 2 end

4、代码块同步

代码段四：

package com.paddx.test.concurrent;public class SynchronizedTest {public void method1(){System.out.println("Method 1 start");try {synchronized (this) {System.out.println("Method 1 execute");Thread.sleep(3000);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Method 1 end");}public void method2(){System.out.println("Method 2 start");try {synchronized (this) {System.out.println("Method 2 execute");Thread.sleep(1000);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("Method 2 end");}public static void main(String[] args) {final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.method1();}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {test.method2();}}).start();}
}

执行结果如下，虽然线程1和线程2都进入了对应的方法开始执行，但是线程2在进入同步块之前，需要等待线程1中同步块执行完成。

Method 1 start
Method 1 execute
Method 2 start
Method 1 end
Method 2 execute
Method 2 end

二、Synchronized 原理：

如果对上面的执行结果还有疑问，也先不用急，我们先来了解Synchronized的原理，再回头上面的问题就一目了然了。我们先通过反编译下面的代码来看看Synchronized是如何实现对代码块进行同步的：

package com.paddx.test.concurrent;public class SynchronizedDemo {public void method() {synchronized (this) {System.out.println("Method 1 start");}}
}

反编译结果：

关于这两条指令的作用，我们直接参考JVM规范中描述：

monitorenter ：

Each object is associated with a monitor. A monitor is locked if and only if it has an owner. The thread that executes monitorenter attempts to gain ownership of the monitor associated with objectref, as follows:
If the entry count of the monitor associated with objectref is zero, the thread enters the monitor and sets its entry count to one. The thread is then the owner of the monitor.
If the thread already owns the monitor associated with objectref, it reenters the monitor, incrementing its entry count.
If another thread already owns the monitor associated with objectref, the thread blocks until the monitor's entry count is zero, then tries again to gain ownership.

这段话的大概意思为：

每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：

• 如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。
• 如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.
• 如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。

monitorexit：

执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。

指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

通过这两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，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或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

我们再来看一下同步方法的反编译结果：

源代码：

package com.paddx.test.concurrent;public class SynchronizedMethod {public synchronized void method() {System.out.println("Hello World!");}
}

反编译结果：

从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。

这里还是要细说一下：

synchronized修饰代码块时的底层实现原理：

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

（得理解：）
同步代码块儿的实现使用的是monitorenter和monitorexit指令，其中，monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块儿的结束位置，当执行monitorenter指令时，当前线程将试图获取objectref（即对象锁）所对应的monitor的持有权，当objectref的monitor的进入计数器微0时，那线程可以成功取得monitor，并将计数器的值设置为1，取锁成功。若当前线程已经拥有objectref的monitor的持有权，那它可以重入这个monitor，重入时计数器的值会+1.若其他的线程已经拥有objectref的monitor的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行的线程执行完毕，即monitorexit指令被执行，执行当前 线程，将释放monitor并设计计数器值为0，其他线程将有机会持有monitor（必须保证monitorenter和monitorexit成对出现）

synchronized修饰方法时的底层实现原理：

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

方法级的同步是隐式的，它无需通过字节码指令来控制，它实现方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构（method_info.structure）中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志区分一个方法是否同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置。若设置了，执行线程将先持有monnitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间跑出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将异常抛出到同步方法之外自动释放。

重点：
JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。

在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

三、运行结果解释

有了对Synchronized原理的认识，再来看上面的程序就可以迎刃而解了。

1、代码段2结果：

虽然method1和method2是不同的方法，但是这两个方法都进行了同步，并且是通过同一个对象去调用的，所以调用之前都需要先去竞争同一个对象上的锁（monitor），也就只能互斥的获取到锁，因此，method1和method2只能顺序的执行。

2、代码段3结果：

虽然test和test2属于不同对象，但是test和test2属于同一个类的不同实例，由于method1和method2都属于静态同步方法，所以调用的时候需要获取同一个类上monitor（每个类只对应一个class对象），所以也只能顺序的执行。

3、代码段4结果：

对于代码块的同步实质上需要获取Synchronized关键字后面括号中对象的monitor，由于这段代码中括号的内容都是this，而method1和method2又是通过同一的对象去调用的，所以进入同步块之前需要去竞争同一个对象上的锁，因此只能顺序执行同步块。

四 总结：

JVM会自动通过使用monitor来加锁和解锁，保证了同一时刻只有一个线程可以执行指定的代码，从而保证线程安全，同时具有可重入和不可中断的特性。

1、两个线程同时访问一个对象的相同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

2、两个线程同时访问两个对象的相同的synchronized方法

不同的实例拥有的锁是不同的，所以不影响，并行执行

3、两个线程同时访问两个对象的相同的static的synchronized方法

静态同步方法，是类锁，所有实例是同一把锁，其他线程必然等待，顺序执行

4、两个线程同时访问同一对象的synchronized方法与非synchronized方法

非synchronized方法不受影响，并行执行

5、两个线程访问同一对象的不同的synchronized方法

同一实例拥有同一把锁，所以顺序执行（说明：锁的是this对象==同一把锁）

6、两个线程同时访问同一对象的static的synchronized方法与非static的synchronized方法

static同步方法是类锁，非static是对象锁，原理上是不同的锁，所以不受影响，并行执行

7、方法抛出异常后，会释放锁吗

会自动释放锁，这里区别Lock，Lock需要显示的释放锁

3个核心思想：

• 一把锁只能同时被一个线程获取，没有拿到锁的线程必须等待
• 每个实例都对应有自己的一把锁，不同的实例之间互不影响；例外：锁对象是*.class以及synchronized被static修饰的时候，所有对象共用同一把锁
• 无论是方法正常执行完毕还是方法抛出异常，都会释放锁

附上相关的链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/wkQUT8Dd0yuJF__bHHNZ0w

https://mp.weixin.qq.com/s/UCfQZ1uELgKgkju1RO5XrQ

感谢并参考：

https://mp.weixin.qq.com/s/1W35xtANDzFlEtHOxBx-Kg

五、关于锁升级：

在JDK的早期，synchronized叫做重量级锁，因为申请锁资源必须通过kernel，系统调用，从用户态 -> 内核态的转换，效率比较低，JDK1.6 之后做了一些优化，为了减少获得锁和释放锁带来的性能开销，引入了偏向锁、轻量级锁的概念。因此大家会发现在 synchronized 中，锁存在四种状态分别是：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁；

我们知道synchronized锁的是对象，对象就是Object，Object在heap中的布局，如下图所示

前面8个字节就是markword，后面4个字节是class pointer就是这个对象属于哪个类的，People就是People.class，Cat类就是Cat.class，在后面实例数据就是看你类里面字段的具体大小了，int age就是4个字节，string name就是英文1个字节， 中文2个字节（String的中文字节数要看用的编码集合，如果是utf-8类型的，那么中文占2到3个字节，如果是GBK类型的，那么中文占2个字节），最后前面三项加起来不能被8整除的，就是补齐到能够被8整除。

下图就是markword（8*8=64位）的分布图，锁升级就是markdown里面标志位的变化。

网上所以的图都是32位的，我这里画的是64位的，大家发现一共有五种状态，用两位是不够的，所以01的时候在向前借一位。

锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

1，偏向锁：

hotspot虚拟机的作者经过调查发现，大部分情况下，加锁的代码不仅仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得。所以基于这样一个概率，我们一开始加锁上的是偏向锁，当一个线程访问加了同步锁的代码块时，首先会尝试通过CAS操作在对象头中存储当前线程的ID

• 如果成功markword则存储当前线程ID,接着执行同步代码块
• 如果是同一个线程加锁的时候，不需要争用，只需要判断线程指针是否同一个，可直接执行同步代码块
• 如果有其他线程已经获得了偏向锁，这种情况说明当前锁存在竞争，需要撤销已获得偏向锁的线程，并且把它持有的锁升级为轻量级锁（这个操作需要等到全局安全点，也就是没有线程在执行字节码）才能执行

在我们的应用开发中，绝大部分情况下一定会存在 2 个以上的线程竞争，那么如果开启偏向锁，反而会提升获取锁的资源消耗。所以可以通过jvm参数UseBiasedLocking 来设置开启或关闭偏向锁。偏向锁详细：死磕Synchronized底层实现–偏向锁

2，轻量级锁：

撤销偏向锁，升级轻量级锁，每个线程在自己的线程栈生成LockRecord，用CAS操作将markword设置为指向自己这个线程的LR的指针，设置成功者得到锁。轻量级锁在加锁过程中，用到了自旋锁，自旋锁的使用，其实也是有一定条件的，如果一个线程执行同步代码块的时间很长，那么这个线程不断的循环反而会消耗 CPU 资源。轻量级详细：死磕Synchronized底层实现–轻量级锁

• 默认情况下自旋的次数是 10 次，可以通过-XX:PreBlockSpin来修改，或者自旋线程数超过CPU核数的一半
• 在 JDK1.6之后，引入了自适应自旋锁，自适应意味着自旋的次数不是固定不变的，而是根据前一次在同一个锁上自旋的时间以及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，直接阻塞线程，避免浪费处理器资源

满足这两种情况之一后升级为重量级锁。

3，重量级锁：

我们随便写一段简单的带有 synchronized 关键字的代码。先将其编译为.class 文件，然后使用 javap -c xxx.class 进行反汇编。我们就可以得到 java 代码对应的汇编指令。里面可以找到如下两行指令。

字节码层面就是关键的这两条指令，monitorenter，moniterexit (注：代码块用的是ACC_SYNCHRONIZED，这是一个标志位，底层原理还是这两条指令)

java中每个对象都关联了一个监视器锁monitor，当monitor被占用时就会处于锁定状态。线程执行monitorenter 指令时尝试获取monitor的所有权,过程如下：

• 如果monitor的进入数为 0，则该线程进入monitor,然后将进入数设置为1，该线程即为monitor 的所有者。
• 如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加 1。
• 如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为 0，再重新尝试获取monitor的所有权。

从上面过程可以看出两点，第一：monitor是可重入的，他有计数器，第二：monitor是非公平锁

monitor 依赖操作系统的mutexLock(互斥锁)来实现的，线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能。重量级锁详细：死磕Synchronized底层实现–重量级锁

4，锁消除：

我们都知道 **StringBuffer 是线程安全的，因为它的关键方法都是被 synchronized修饰过的，**但我们看上面这段代码，我们会发现，sb 这个引用只会在 add方法中使用，不可能被其它线程引用（因为是局部变量，栈私有），因此 sb是不可能共享的资源，JVM 会自动消除 StringBuffer 对象内部的锁。

public void add(String str1,String str2){StringBuffer sb = new StringBuffer();sb.append(str1).append(str2);
}

感谢并参考：

https://mp.weixin.qq.com/s/UCfQZ1uELgKgkju1RO5XrQ