帶着問題閱讀
1、Synchronized如何使用，加鎖的粒度分別是什么
2、Synchronized的實現機制是什么
3、Synchronized是公平鎖嗎
4、Java對Synchronized做了哪些優化
Synchronized介紹
基本上所有的並發模式在解決線程沖突問題的時候，都是采用
序列化訪問共享資源的方案。這意味着在給定時刻只允許一個任務訪問共享資源。通常這是通過在代碼前面加上一條鎖語句來實現的，這就使得在一段時間內只有一個任務可以運行這段代碼。因為鎖語句產生了一種互相排斥的效果，所以這種機制常常稱為互斥量(mutex)。
為防止資源沖突，Java提供了Synchronized用於解決互斥訪問的問題。當任務執行被Synchronized修飾的代碼時，將先檢查鎖是否可用，然后獲取鎖、執行代碼，最后釋放鎖。考慮屋里有一個衛生間，多個人都需要單獨使用，為了使用衛生間，每個人都先敲門，看看能否使用，如果沒人使用他就進入衛生間並鎖上門，當其它人來的時候就會被擋在門外。
Synchronized使用方式
- 對象鎖
synchronized可以用於修飾具體對象，如示例中分別對synObj和this對象加鎖，即synObj和this分別作為共享資源被用於互斥訪問，其中thread1和thread2同時訪問synObj互斥，thread3和thread4同時訪問this(demo對象)互斥。
public class Demo {
private Object synObj = new Object();
public void synObj() {
// 對synObj對象加鎖
synchronized(synObj) {
// 同步代碼
}
}
public void synThis() {
// 對當前對象加鎖
synchronized(this) {
// 同步代碼
}
}
}
Demo demo = new Demo();
// 假設以下四個線程同時運行
new Thread(demo::synObj).start(); // thread1
new Thread(demo::synObj).start(); // thread2
new Thread(demo::synThis).start(); // thread3
new Thread(demo::synThis).start(); // thread4
- 普通方法鎖
synchronized也可用於修飾方法，修飾方法時鎖的對象即this，因此如果類的多個方法上都添加了synchronized，那么這幾個方法在同步執行時也是互斥的。
public class Demo {
public synchronized void test1() {};
public synchronized void test2() {};
}
Demo demo = new Demo();
// 以下兩個線程同步執行時是互斥的，都需要獲取demo對象的鎖
new Thread(demo::test1).start();
new Thread(demo::test2).start();
- 靜態方法鎖
以上兩種應用方式由於鎖的粒度都是對象，因此只能在並發調用同一個對象的方法是才會互斥，如果創建了Demo demo1 = new Demo()和Demo demo2 = new Demo()兩個對象並分別調用，就不會產生互斥。如要在多實例之間也達成互斥，則可以通過修飾靜態方法來達成。
public class StaticDemo {
private static Object obj = new Object();
public void test() {
synchronized(obj) {
// 同步代碼
}
}
public static synchronized void testStatic() {};
}
// 兩個線程互斥s
new Thread(StaticDemo::testStatic).start();
new Thread(StaticDemo::testStatic).start();
- 類鎖
通過添加類鎖，也可實現多實例之間的互斥。synchronized修飾在靜態方法時，也等價於修飾當前類對象。
public class StaticDemo {
public void test() {
synchronized(StaticDemo.class) {
// 同步代碼
}
}
}
Synchronized原理分析
不論synchronized用於修飾哪里，本質還是會修飾到具體的對象(實例對象或類對象)上，synchronized的實現機制也是對對象的加鎖。Java中每個對象都隱含關聯一個監視器ObjectMonitor，監視器通過cpp實現內置在JVM中，監視器地址記錄在對象的MarkWord上，synchronized通過ObjectMonitor實現對象的鎖操作。
對象頭MarkWord簡介
JVM在內存中將對象划為三部分：對象頭、實例數據和填充數據。對象頭分為MarkWord和類型指針兩部分，這里只針對鎖相關做進一步介紹。MarkWord用於存儲對象自身的運行數據，如哈希值、GC分代年齡等，這部分在32位和64位虛擬機中會分別占用32位和64位空間，以下是32位的空間布局(64位布局相同，分的bit數不同)，MarkWord會根據對象狀態復用存儲空間，例如對象未鎖定狀態下，采用25bit哈希 + 4bitGC年齡 + 1bit固定0 + 2bit標志存儲。當標志位為10表示對象處於重量級鎖定時，剩余空間就用於存儲ObjectMonitor對象的地址。
ObjectMonitor簡介
ObjectMonitor() {
...
_count = 0; // 記錄個數
_owner = NULL; // 記錄持有線程
_cxq = NULL; // 記錄鎖阻塞線程，與EntryList配合
_WaitSet = NULL; // 記錄處於wait狀態的線程
_EntryList = NULL; // 記錄處於鎖阻塞狀態的線程
...
}
ObjectMonitor整體內容略去，核心關注以上字段。_owner用於記錄持有線程，_count用於記錄重入次數，_cxq和_EntryList配合用於記錄獲取鎖失敗阻塞后的線程。
線程獲取鎖失敗后會首先被掛載到_cxq隊列上並調用park阻塞。當鎖被釋放時，如_EntryList不為空，則嘗試喚醒_EntryList隊首元素；如_EntryList為空，默認從_cxq摘取隊首元素放入_EntryList並試圖獲取鎖。由於monitor鎖機制為非公平鎖，因此可能喚醒失敗，兩個隊列都會保存阻塞元素。
詳細解析可見參考第二篇文章
Synchronized重量級鎖原理
public class Demo {
private Object obj = new Object();
public void test() {
synchronized(obj) {
System.out.println("lock");
}
}
}
編譯以上代碼，javap -v查看字節碼。
...
public void test();
Code:
...
monitorenter // 加鎖
...
monitorexit // 釋放鎖
...
return
...
其余內容略去，關鍵在於monitorenter和monitorexit兩個指令。
當執行monitorenter時，將會嘗試獲取該對象monitor的所有權。
- 如果
monitor持有數為0即無線程持有，則直接獲取monitor並將進入數+1； - 如果
monitor已被線程占有，檢查是否為當前線程，如是當前線程，則將計數器+1；否則阻塞當前線程。
當執行monitorexit時，將monitor計數器-1，如減后為0，則線程釋放monitor。
如synchronized修飾在方法上，則會在方法上增加ACC_SYNCHRONIZED的標記，原理與上述相同。
JVM對Synchronized的優化
monitorenter和monitorexit依賴底層操作系統的mutex lock實現，該指令對線程的掛起和喚醒涉及到用戶態到內核態的切換，如果同步代碼頻繁調用，會帶來昂貴的切換開銷。自jdk1.6起對鎖的實現引入了大量優化，下面來介紹一下都做了哪些優化。
鎖消除
鎖消除是指虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼要求同步，但是對被檢測到不可能存在共享數據競爭的鎖進行消除。鎖消除的主要判定一句來源於逃逸分析的數據支持，如果判斷一段代碼中，在堆上的所有數據都不會逃逸出去被其他線程訪問到，那就可以把它們當作棧上數據對待，認為是線程私有的，同步加鎖無須進行。
public String copyString(String s) {
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append(s);
return sb.toString();
}
如示例代碼，StringBuffer.append是通過sychronized修飾的線程安全操作，但在該代碼塊中，sb對象是局部變量，僅會被當前線程訪問，不存在線程競爭，因此鎖經過編譯器檢測后可以消除。
鎖粗化
原則上編寫同步代碼時，推薦將同步塊的作用范圍限制的盡量小，一方面減少同步代碼塊的執行時間，一方面減少同步競爭次數，以便存在競爭時，等待鎖的線程可以盡快獲得鎖。但是如果一系列連續操作都在對同一對象反復加鎖和釋放鎖，那即使沒有線程競爭也會產生很多沒必要的開銷。
private Object obj = new Object();
public void lock() {
synchronized(obj) {
...
}
// 再次加鎖
synchronized(obj) {
...
}
}
如上代碼，連續兩次對同一對象進行同步，即可將鎖粗化合並為一個鎖。
鎖消除和鎖粗化都是依賴JIT即時編譯實現，因此通過
javac查看編譯后的字節碼，仍然保留着原始的鎖指令。
自旋鎖和自適應自旋
前文中我們提到，互斥同步涉及的掛起/喚醒線程都涉及內核態轉換，如果頻繁產生競爭會帶來很大的壓力。虛擬機開發團隊注意到很多應用對鎖的持有只會持續很短的時間，如果可以讓競爭鎖的線程稍等一下，不放棄處理器，就可以在持有鎖的線程執行完畢后獲取鎖，避免產生空間切換，這就是自旋。
自旋鎖在jdk1.4.2中就引入，需要-XX: +UseSpining開啟，在jdk6以后就默認開啟了。自旋雖然避免了空間切換問題，但如果某個鎖競爭很激烈或者鎖的持有時間很長，那自旋只能白白占用處理器資源，因此在jdk1.6中引入了自適應自旋。自適應意味着自旋的時間不再固定，如果對一個鎖對象自旋等待剛剛成功過，則允許后續自旋等待較長時間；如果自旋很少成功，那就在后續獲得鎖的過程中直接跳過自旋。
偏向鎖
偏向鎖也是jdk1.6引入的優化，目的是消除數據在無競爭情況下的同步原語。鎖被第一個線程獲取后，在接下來的執行過程中，如果一直沒有被其他線程獲取，則持有偏向鎖的線程不在需要同步。
偏向鎖加鎖流程如下：
- 檢查當前是否為偏向狀態。
- 如果是，檢查當前線程ID與
Mark Word記錄的線程ID是否一致，如一致則進入同步代碼，不一致則釋放偏向鎖 - 如不是偏向鎖，則使用
CAS嘗試修改線程ID，如修改成功則進入同步代碼，失敗則釋放偏向鎖
線程獲取偏向鎖后，持有鎖的線程以后每次進入相應同步塊時，都不需要再進行任何同步操作。
偏向鎖不會主動釋放，只有當其他線程嘗試獲取鎖時，才會檢查持有線程是否可以釋放鎖。如可以釋放則替換為新線程ID，不可釋放則升級為輕量級鎖。
勘誤：圖中如判斷對象頭Mark Word記錄非當前線程ID，下一步應當為開始偏向鎖撤銷而非CAS替換。如有不同意見歡迎留言
輕量級鎖
輕量級鎖在MarkWord標志位中由00表示，輕量級鎖首先在當前線程棧幀當中建立一個鎖記錄Lock Record，用於存儲MarkWord的拷貝；然后虛擬機使用CAS操作將Lock Record的地址記錄到MarkWord當中，並將標志位改為00，表示對象處於輕量級鎖定狀態。如果更新失敗，則會進入自旋並在自旋達到一定次數后升級為重量級鎖。自旋的同時如果有第三個線程嘗試獲取鎖，也會直接升級到重量級鎖。
同步代碼執行完畢后，輕量級鎖同樣使用CAS操作將棧幀中的MarkWord拷貝回到對象中，如果操作成功，則釋放鎖；如果替換失敗，則說明有其他線程在競爭鎖(意味着升級為重量級鎖)，則當前膨脹為重量鎖轉換為重量鎖的釋放。
重量級鎖
重量級鎖即上文Synchronized重量級鎖原理所述內容，綜上synchronized的加鎖過程為偏向鎖 -> 輕量級鎖 -> 重量級鎖，這個過程也稱為鎖膨脹。
圖源自網絡
總結
最后總結對比一下幾種鎖實現。
| 鎖類型 | 運行空間 | 實現機制 | 適用范圍 |
|---|---|---|---|
| 偏向鎖 | 用戶態 | 初次CAS加鎖，后續如無競爭可直接進入 | 單線程執行 |
| 輕量級鎖 | 用戶態 | CAS+自旋加鎖 | 鎖競爭不激烈 |
| 重量級鎖 | 內核態 | mutex 內核態操作 | 鎖激烈競爭 |