synchronized的加鎖方式與底層原理分析

1.synchronized的三種加鎖方式

• 對於普通同步方法，鎖是當前實例對象（對象鎖）

  在這種使用方式中，要注意鎖是對象的實例，因為要保證多個線程使用的是同一個實例，否則仍然會有問題。

  比如如下代碼，因為每個線程的實例是不同的，因為他們獲取的都不是同一把鎖

public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public synchronized  void  m1(){
        for(int i=0;i<10000;i++){
            num++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});
        Thread t2 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});
        Thread t3 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

要想執行結果正確，就必須保證多個線程的實例是相同的，如下所示：

public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public synchronized  void  m1(){
        for(int i=0;i<10000;i++){
            num++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Demo1 demo1 = new Demo1();
        Thread t1 = new Thread(()->demo1.m1());
        Thread t2 = new Thread(()->demo1.m1());
        Thread t3 = new Thread(()->demo1.m1());


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

• 對於靜態同步方法，鎖是當前類Class對象（類鎖）

public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public synchronized static void  m1(){
        for(int i=0;i<10000;i++){
            num++;
        }
    }

    public static class T1 extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            Demo1.m1();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T1 t1 = new T1();
        T1 t2 = new T1();
        T1 t3 = new T1();


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

• 對於同步方法塊，鎖是Synchronized括號里配置的對象

      1.括號里的對象是class對象

public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public  void  m1(){
        // class對象鎖
        synchronized (Demo1.class){
            for(int i=0;i<10000;i++){
                num++;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});
        Thread t2 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});
        Thread t3 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

      2. 括號里的對象是當前實例

public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public  void  m1(){
        // class對象鎖
        synchronized (this){
            for(int i=0;i<10000;i++){
                num++;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Demo1 demo1 = new Demo1();

        Thread t1 = new Thread(()->demo1.m1());
        Thread t2 = new Thread(()->demo1.m1());
        Thread t3 = new Thread(()->demo1.m1());


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

2.synchronized的實現原理

      從JVM規范中可以看到Synchonized在JVM里的實現原理，JVM基於進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步，但兩者的實現細節不一樣。代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實現的，而方法同步是使用另外一種方式實現的，細節在JVM規范里並沒有詳細說明。但是，方法的同步同樣可以使用這兩個指令來實現。

      monitorenter指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結束處和異常處，JVM要保證每個monitorenter必須有對應的monitorexit與之配對。任何對象都有一個monitor與之關聯，當且一個monitor被持有后，它將處於鎖定狀態。線程執行到monitorenter指令時，將會嘗試獲取對象所對應的monitor的所有權，即嘗試獲得對象的鎖。

3.java對象頭

      在JVM中，對象在內存中的布局分為三塊區域：對象頭、實例數據和對齊填充。如下：

• 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，僅僅是為了字節對齊，這點了解即可。
• 對象頭：synchronized用的鎖是存在Java對象頭里的。如果對象是數組類型，則虛擬機用3個字寬（Word）存儲對象頭，如果對象是非數組類型，則用2字寬存儲對象頭。在32位虛擬機中，1字寬等於4字節，即32bit

      Java對象頭里的Mark Word里默認存儲對象的HashCode、分代年齡和鎖標記位。32位JVM的Mark Word的默認存儲結構如表圖所示：

      在運行期間，Mark Word里存儲的數據會隨着鎖標志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲以下4種數據

      在64位虛擬機下，Mark Word是64bit大小的，其存儲結構如下圖所示：

4.鎖的三種狀態

1.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，為了讓線程獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。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里存儲鎖偏向的線程ID，以后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里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。

2.輕量級鎖

      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復制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。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。

3.重量級鎖

      內置鎖在Java中被抽象為監視器鎖（monitor）。在JDK 1.6之前，監視器鎖可以認為直接對應底層操作系統中的互斥量（mutex）。這種同步方式的成本非常高，包括系統調用引起的內核態與用戶態切換、線程阻塞造成的線程切換等。因此，后來稱這種鎖為“重量級鎖”。

鎖的優缺點的對比：

5.synchronized的可重入性

      從互斥鎖的設計上來說，當一個線程試圖操作一個由其他線程持有的對象鎖的臨界資源時，將會處於阻塞狀態，但當一個線程再次請求自己持有對象鎖的臨界資源時，這種情況屬於重入鎖，請求將會成功， 在java中synchronized是基於原子性的內部鎖機制，是可重入的，因此在一個線程調用synchronized方法的同時在其方法體內部調用該對象另一個synchronized方法，也就是說一個線程得到一個對象鎖后再次請求該對象鎖，是允許的，這就是synchronized的可重入性。如下：

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    static int j=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){

            //this,當前實例對象鎖
            synchronized(this){
                i++;
                increase();//synchronized的可重入性
            }
        }
    }

    public synchronized void increase(){
        j++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

      正如代碼所演示的，在獲取當前實例對象鎖后進入synchronized代碼塊執行同步代碼，並在代碼塊中調用了當前實例對象的另外一個synchronized方法，再次請求當前實例鎖時，將被允許，進而執行方法體代碼，這就是重入鎖最直接的體現，需要特別注意另外一種情況，當子類繼承父類時，子類也是可以通過可重入鎖調用父類的同步方法。注意由於synchronized是基於monitor實現的，因此每次重入，monitor中的計數器仍會加1。

6.synchronized與等待喚醒機制

      所謂等待喚醒機制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用這3個方法時，必須處於synchronized代碼塊或者synchronized方法中，否則就會拋出IllegalMonitorStateException異常，這是因為調用這幾個方法前必須拿到當前對象的監視器monitor對象，也就是說notify/notifyAll和wait方法依賴於monitor對象，在前面的分析中，我們知道monitor 存在於對象頭的Mark Word 中(存儲monitor引用指針)，而synchronized關鍵字可以獲取 monitor ，這也就是為什么notify/notifyAll和wait方法必須在synchronized代碼塊或者synchronized方法調用的原因。

synchronized (obj) {
       obj.wait();
       obj.notify();
       obj.notifyAll();         
 }

      需要特別理解的一點是，與sleep方法不同的是wait方法調用完成后，線程將被暫停，但wait方法將會釋放當前持有的監視器鎖(monitor)，直到有線程調用notify/notifyAll方法后方能繼續執行，而sleep方法只讓線程休眠並不釋放鎖。同時notify/notifyAll方法調用后，並不會馬上釋放監視器鎖，而是在相應的synchronized(){}/synchronized方法執行結束后才自動釋放鎖。

7.synchronized與中斷機制

      事實上線程的中斷操作對於正在等待獲取的鎖對象的synchronized方法或者代碼塊並不起作用，也就是對於synchronized來說，如果一個線程在等待鎖，那么結果只有兩種，要么它獲得這把鎖繼續執行，要么它就保存等待，即使調用中斷線程的方法，也不會生效。演示代碼如下：

public class SynchronizedBlocked implements Runnable{

    public synchronized void f() {
        System.out.println("Trying to call f()");
        while(true) // Never releases lock
            Thread.yield();
    }

    /**
     * 在構造器中創建新線程並啟動獲取對象鎖
     */
    public SynchronizedBlocked() {
        //該線程已持有當前實例鎖
        new Thread() {
            public void run() {
                f(); // Lock acquired by this thread
            }
        }.start();
    }
    public void run() {
        //中斷判斷
        while (true) {
            if (Thread.interrupted()) {
                System.out.println("中斷線程!!");
                break;
            } else {
                f();
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedBlocked sync = new SynchronizedBlocked();
        Thread t = new Thread(sync);
        //啟動后調用f()方法,無法獲取當前實例鎖處於等待狀態
        t.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //中斷線程,無法生效
        t.interrupt();
    }
}

以上內容為自己學習時所記錄的筆記，主要來源於以下資料：
1.java並發編程的藝術
2.http://www.itsoku.com/article/168