synchronized 使用及实现原理

synchronized 关键字

如何使用

synchronized 关键字的使用方式主要有下面 3 种：

修饰实例方法
修饰静态方法
修饰代码块

1、修饰实例方法 （锁当前对象实例）

给当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得 当前对象实例的锁 。

synchronized void method() {
    //业务代码
}

此时，synchronized加锁的对象就是这个方法所在实例的本身。

2、修饰静态方法 （锁当前类）

给当前类加锁，会作用于这个类的所有对象实例

这是因为静态成员不属于任何一个实例对象，归整个类所有，不依赖于类的特定实例，被类的所有实例共享。

synchronized static void method() {
    //业务代码
}

3、修饰代码块 （锁指定对象/类）

对括号里指定的对象/类加锁：

synchronized(object) 给对象加锁
synchronized(类.class) 给类加锁

synchronized(this) {
    //业务代码
}

synchronized关键字是如何对一个对象加锁实现代码同步的呢？

synchronized原理

synchronized 底层实现原理

底层原理就是，通过monitorenter 和 monitorexit 来完成同步机制，所以我们不用通过 lock 和 unlock 实现上锁和释放锁的过程。

当 synchronized 修饰方法的时候，JVM 采用ACC_SYNCHRONIZED标记符来实现同步，这个标识指明了该方法是一个同步方法。

synchronized修饰同步方法

在JVM中，对象在内存中存储的布局可以分为三个区域，分别是对象头、实例数据以及填充数据。

实例数据 存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，这部分内存按4字节对齐。
填充数据 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 在HotSpot虚拟机中，对象头又被分为两部分，分别为：Mark Word(标记字段)、Class Pointer(类型指针)。如果是数组，那么还会有数组长度。对象头是本章内容的重点，下边详细讨论。

对象头

在对象头的Mark Word中主要存储了对象自身的运行时数据，例如哈希码、GC分代年龄、锁状态、线程持有的锁、偏向线程ID以及偏向时间戳等。同时，Mark Word也记录了对象和锁有关的信息。

当对象被synchronized关键字当成同步锁时，和锁相关的一系列操作都与Mark Word有关。Mark Word在不同锁状态下存储的内容有所不同。

GC标记是垃圾回收机制

可以看到重量级锁对象头的MarkWord中存储了指向Monitor对象的指针，那么什么是Monitor?

Monitor对象

Monitor对象被称为管程或者监视器锁。在Java中，每一个对象实例都会关联一个 Monitor 对象。这个Monitor对象既可以与对象一起创建销毁，也可以在线程试图获取对象锁时自动生成。当这个Monitor对象被线程持有后，它便处于锁定状态。

Monitor是由ObjectMonitor实现的,它是一个使用C++实现的类，主要数据结构如下：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;  // 线程重入次数
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; // 调用wait方法后的线程会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ; // 阻塞队列，线程被唤醒后根据决策判读是放入cxq还是EntryList
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 没有抢到锁的线程会被放到这个队列
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor中有五个重要部分，分别为ower,WaitSet,cxq,EntryList和count。

_ower 用来指向持有monitor的线程，它的初始值为NULL,表示当前没有任何线程持有monitor。当一个线程成功持有该锁之后会保存线程的ID标识，等到线程释放锁后_ower又会被重置为NULL;
_WaitSet 调用了锁对象的wait方法后的线程会被加入到这个队列中；如果调用锁对象的wait()方法，线程会释放当前持有的monitor，并将owner变量重置为NULL，且count减1,同时该线程会进入到_WaitSet集合中等待被唤醒。
_cxq 是一个阻塞队列，线程被唤醒后根据决策判读是放入cxq还是EntryList;
_EntryList 没有抢到锁的线程会被放到这个队列；
count 用于记录线程获取锁的次数，成功获取到锁后count会加1，释放锁时count减1。

问题：synchronized 锁住的到底是什么？

答：是 monitor enter 和 monitor exit

MarkWord 中存储了指向 Monitor 对象的指针，Monitor 是由ObjectMonitor 实现。

ObjectMonitor 原理

当获取 monitor 对象的线程进入 _ower 区的时候， _count+1。当调用 wait()方法后，释放 monitor 对象， _count - 1，退出 _ower 区。

当对象的Monitor的计数器count为0 的时候，线程可以取得Monitor，并将count设置为1，即获得该对象的锁，表示只有这个线程可以对该对象进行操作。如果当前线程已经拥有该对象monitor的持有权，那它可以重入这个 monitor ，计数器的值也会加 1。而当执行monitorexit指令时，锁的计数器会减1。

如果对象的Monitor的count为1时，那么当前线程获取锁失败将被阻塞并进入到_EntryList中，直到等待的锁被释放为止。也就是说，当所有相应的monitorexit指令都被执行，计数器的值减为0，执行线程将释放 monitor(锁)，其他线程才有机会持有 monitor 。

流程

执行 monitorenter 获取锁

所以当了解完原理后，就能知道 monitor 是与同步有关系，所以synchronized 锁住的是：

monitorenter，在判断拥有同步标识 ACC_SYNCHRONIZED 抢先进入此方法的线程会优先拥有 Monitor 的 owner ，此时计数器 +1。
monitorexit，当执行完退出后，计数器 -1，归 0 后被其他进入的线程获得。

锁的升级

无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁

锁只能由这个方向进行升级，不可以逆着来。

偏向锁

由于大部分情况下啊，一般都是同一线程反复获得锁，每一次获得锁的过程中，需要获得锁和解锁的操作，所以，如果只有一个线程的话，那可以创建一种锁，当线程获得锁之后，就不进行解锁操作了，每次这个线程进入或退出同步快的时候，只需要比较下线程id就可以了

偏向锁加锁

当一个线程访问同步块的时候（同一时刻只有一个线程能执行同步块之中的代码），会在对象头和栈帧中存储锁偏向的线程id,如果该线程再进入的时候，只需要比较下线程id就可以。

偏向锁撤销

如果原来持有偏向锁线程已经退出同步代码块或者已经死亡，那么偏向锁可以直接撤销，转变为无锁状态。
如果还在代码块之中，那么偏向锁升级为轻量级锁，原来的线程仍持有锁，其他进程需要cas,来竞争锁

优点

保证在只有一个线程的情况下，线程获得锁之后，该线程进入或退出同步代码块不需要进行cas操作，如果有多个锁竞争，那么锁会进行升级。

轻量级锁

轻量级锁是一种Java中实现线程同步的锁，它比重量级锁更高效，但也需要一定的条件才能使用。轻量级锁的加锁和撤销过程如下：

加锁过程

当一个线程要执行同步代码块时，它会先在自己的栈帧中创建一个锁记录，然后把对象头中的Mark Word复制到锁记录中，这叫做Displaced Mark Word。接着，线程会用CAS操作尝试把对象头中的Mark Word替换成指向锁记录的指针。如果成功，说明线程获得了轻量级锁，可以继续执行同步代码块。如果失败，说明有其他线程也在竞争这个锁，那么当前线程就会进行自旋，即不断重试CAS操作，直到成功或者超过一定次数。

撤销过程：

当一个线程执行完同步代码块时，它会用CAS操作尝试把对象头中的Mark Word恢复成原来的Displaced Mark Word。如果成功，说明没有其他线程竞争该锁，轻量级锁就被释放了。如果失败，说明有其他线程在自旋等待该锁，那么当前线程就会通知其他线程停止自旋，然后把锁升级为重量级锁，释放该锁后唤醒一个等待的线程。