重新认识synchronized（下）

Posted 2020-08-23 葛一凡

synchronized既保证原子性，又保证内存可见性，是一种线程同步的方式，是锁机制的一种java实现。synchronized的实现基于JVM底层，JVM是基于monitor实现的，而monitor的实现依赖于操作系统的互斥实现。

synchronized既保证原子性，又保证内存可见性，是一种线程同步的方式，是锁机制的一种java实现。synchronized的实现基于JVM底层，JVM是基于monitor实现的，而monitor的实现依赖于操作系统的互斥实现。

语义

synchronized语义是同步，但同步有两层含义：

1. 互斥，即锁的特点。同一时间只能有一个线程持有监视器，因此一旦线程进入监视器保护的代码块（即临界区），其他线程是不允许监视器保护的代码块，直到前一个线程退出代码块。互斥阻止了其他线程看到对象不一致的状态，与原子性有相同的语义。
2. 可见。synchronized保证进入同步代码块的线程，都可以看到由同一个锁保护的之前所有的修改效果。原因是：在释放监视器时（即退出同步代码块），会将工作内存中未映射到主内存的工作拷贝，强制刷新回主内容。在获取监视器是（即进入同步代码块时），监视器会使本地内存失效，强制从主内存拷贝到工作内存。

互斥保证在线程退出前，所有对象状态变更都对其他线程不可见；可见保证在线程进入同步代码块时，可以看到上一个线程对对象状态变更的最终状态。

线程安全与同步

线程安全表明在多线程环境中，不会有多个线程同时访问共享数据。
线程同步是线程访问类和实例字段变量，和其他共享资源的一种串行化行为，确保在同一时间只能有一个线程访问资源。举个栗子，春运火车票只剩下最后一张火车票，A，B都要抢这张火车票，怎么解决这个问题防止超卖呢？把资源保护起来，让A，B排队来买火车票。
线程安全是属性，线程同步是方式。

指令

synchronized同步代码块是通过monitorenter和monitorexit指令实现的，而synchronized同步方法是基于ACC_SYCHRONIZED标志，同步方法被调用时JVM会检查这个标志。monitorenter标记临界区的开始，线程执行到 monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权；monitorexit标记临界区的结束，线程执行到 monitorexit 指令时，将释放对象所对应的 monitor 的所有权。

1 public class SynchronizedMethod {
2     public synchronized void methodA() {
3         System.out.println("MethodA start");
4 
5     }
6 }

将这段代码通过 javap -c 反编译一下，重点关注一下编译后的第3行和第13行。

 1 Compiled from "SynchronizedTest.java"
 2 public class com.memory.SynchronizedTest {
 3   public com.memory.SynchronizedTest();
 4     Code:
 5        0: aload_0       
 6        1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
 7        4: return        
 8 
 9   public void methodA();
10     Code:
11        0: aload_0       
12        1: dup           
13        2: astore_1      
14        3: monitorenter  
15        4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
16        7: ldc           #3                  // String MethodA start
17        9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
18       12: aload_1       
19       13: monitorexit   
20       14: goto          22
21       17: astore_2      
22       18: aload_1       
23       19: monitorexit   
24       20: aload_2       
25       21: athrow        
26       22: return        
27     Exception table:
28        from    to  target type
29            4    14    17   any
30           17    20    17   any
31 }

锁的种类

java synchronized锁升级
JDK1.6中对synchronized优化引入了偏向锁，轻量级锁，重量级锁。锁的升级过程是单方向的，只允许从低到高升级，不允许降级。

重量级锁（Heavyweight Lock）是将程序运行交出控制权，将线程挂起，由操作系统来负责线程间的调度，负责线程的阻塞和执行。这样会出现频繁地对线程运行状态的切换，线程的挂起和唤醒，消耗大量的系统资源，导致性能低下。

轻量级锁（lightweight Locking）是相对于重量级锁而言的，在synchronized实现中使用自旋的方式，实际是通过CPU自旋等待的方式替代线程切换，竞争的线程不会因此而阻塞，避免阻塞唤醒造成的CPU负荷。采用自旋的方式有利有弊，当锁占用的时间较短时，较少次数的自旋等待就可以获取锁；但在锁占用的时间较长时，自旋会白白浪费大量的CPU资源。因此自旋的次数有一定要在限定之内，自旋失败就会立即将锁升级为重量级锁，称为锁膨胀。

偏向锁（Biased Locking ）从字面含义是这把锁是有私心的，会倾向于上次访问的线程。Hotspot的作者在他的论文《QRL-OpLocks-BiasedLocking》中阐述到，研究发现大多数情况下不存在多线程争夺共享资源，而且总是由同一线程多次获得，考虑到CAS （Compare-And-Swap）指令在获取Java监视器时会造成较大的CPU延迟，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。

锁标记的位置

64位虚拟机中，标记字段（Mark Word）中包含哈希吗（HashCode，存放31bits对象的hashcode值），GC分代年龄（Generational GC Age，4bits，因此分代年龄最高为15），偏向线程ID，偏向锁标记。
synchronized锁的四个状态：无锁状态，偏向锁，轻量级锁和重量级锁，在Mark Word中对应不同的字段。
java synchronized不同级别锁中的Mark Word

我是葛一凡，希望对你有用。

参考

1. JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
2. Java内存模型(一)
3. Java 锁机机制——浅析 Synchronized
4. Biased Locking in HotSpot
5. Java Synchronised机制
6. 深入JVM锁机制1-synchronized
7. 多线程之：偏向锁，轻量级锁，重量级锁
8. JVM内部细节之一：synchronized关键字及实现细节（轻量级锁Lightweight Locking）
9. java锁优化
10. Java并发编程：Synchronized底层优化（偏向锁、轻量级锁）
11. 虚拟机中的锁优化简介（适应性自旋/锁粗化/锁削除/轻量级锁/偏向锁）
12. JVM内部细节之二：偏向锁（Biased Locking）
13. 小议偏向锁
14. synchronized、锁、多线程同步的原理是咋样的
15. Java中的锁
16. markOop.hpp
17. 5 Things You Didn’t Know About Synchronization in Java and Scala
18. 论文：The Smart Energy Management of Multithreaded Java Applications on Multi-Core Processors