Synchronized關鍵字算是Java的元老級鎖了，一開始它撐起了Java的同步任務，其用法簡單粗暴容易上手。但是有些與它相關的知識點還是需要我們開發者去深入掌握的。比如，我們都知道通過Synchronized鎖來實現互斥功能，可以用在方法或者程式碼塊上，那麼不同用法都是怎麼實現的,以及都經歷了了哪些優化等等問題都需要我們紮實的理解。

• 1.基本用法
• 2.實現原理
  • 2.1 同步程式碼塊的實現
  • 2.2 同步方法的實現
• 3.鎖升級
  • 3.1 Java物件頭介紹
  • 3.2 什麼是鎖升級

1.基本用法

通常我們可以把Synchronized用在一個方法或者程式碼塊裡，方法又有普通方法或者靜態方法。

對於普通同步方法，鎖是當前例項物件，也就是this

public class TestSyn{
  private int i=0;
  public synchronized void incr(){
    i++;
  }
}
複製程式碼

對於靜態同步方法，鎖是Class物件

public class TestSyn{
  private static int i=0;
  public static synchronized void incr(){
    i++;
  }
}  
複製程式碼

對於同步程式碼塊，鎖是同步程式碼塊裡的物件

public class TestSyn{
  private  int i=0;
  Object o = new Object();
  public  void incr
 
(){
    synchronized(o){
        i++;
    }
  }
}
複製程式碼

2.實現原理

在JVM規範中介紹了synchronized的實現原理，JVM基於進入和退出Monitor對 象來實現方法同步和程式碼塊同步，但兩者的實現細節不一樣。程式碼塊同步是使用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，通過一個方法標誌(flag) ACC_SYNCHRONIZED來實現的。

2.1 同步程式碼塊的實現

monitorenter 和 monitorexit

docs.oracle.com/javase/spec… (參考來源)

下面看下JVM規範裡對moniterenter 和 monitorexit的介紹

Each object has a monitor associated with it. The thread that executes monitorenter gains ownership of the monitor associated with objectref. If another thread already owns the monitor associated with objectref,the current thread waits until the object is unlocked,

每個物件都有一個監視器(Moniter)與它相關聯，執行moniterenter指令的執行緒將獲得與objectref關聯的監視器的所有權，如果另一個執行緒已經擁有與objectref關聯的監視器，則當前執行緒將等待直到物件被解鎖為止。

A monitorenter instruction may be used with one or more monitorexit instructions to implement a synchronized statement in the Java programming language. The monitorenter and monitorexit instructions are not used in the implementation of synchronized methods

重點來了，上面這段介紹了兩點：

• 通過monitorenter和monitorexit指令來實現Java語言的同步程式碼塊(後面有程式碼示例)
• monitorenter和monitorexit指令沒有被用在同步方法上！！！

2.2 同步方法的實現

先看下JVM規範裡怎麼說的
docs.oracle.com/javase/spec… (參考來源)

A synchronized method is not normally implemented using monitorenter and monitorexit. Rather,it is simply distinguished in the runtime constant pool by the ACC_SYNCHRONIZED flag,which is checked by the method invocation instructions. When invoking a method for which ACC_SYNCHRONIZED is set,the current thread acquires a monitor,invokes the method itself,and releases the monitor whether the method invocation completes normally or abruptly.

上面這段話主要講了幾點：

• 同步方法的實現不是基於monitorenter和monitorexit指令來實現的
• 在執行時常量池裡通過ACC_SYNCHRONIZED來區分是否是同步方法，方法執行時會檢查該標誌
• 當一個方法有這個標誌的時候，進入的執行緒首先需要獲得監視器才能執行該方法
• 方法結束或者拋異常時會釋放監視器

public class TestSyn {

    private int i=0;
    // 同步方法
    public synchronized void incer(){
        i++;
    }
    // 同步程式碼塊
    public  void decr(){
        synchronized (this) {
            i--;
        }
    }
}

複製程式碼

可以通過反編譯位元組碼來檢視底層是怎麼實現的

// 得到位元組碼
javac TestSyn.java
複製程式碼

// 反編譯位元組碼
javap -v TestSyn.class
複製程式碼

同步程式碼塊的反編譯結果如下：

同步方法的反編譯結果如下：

3.鎖升級

3.1 Java物件頭介紹

物件的記憶體佈局

在我們常見的HotSpot虛擬機器器中物件由三部分組成，分別是物件頭，例項資料，以及對齊填充位。其中物件頭是跟鎖資訊相關的部分，在物件頭裡會儲存該物件執行時資料，包括雜湊嗎，GC分代年齡，鎖狀態(無鎖，偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖)，是否偏向鎖，偏向執行緒ID等資訊。 儲存上述這些的區域叫做Mark Word(標記詞)，除了這部分物件頭還有一部分割槽域用來儲存型別指標，可以通過該型別指標來定位物件的元資料資訊。下面重點看下，物件頭的記憶體佈局，因為這部分是跟我們這次相關的。

物件在記憶體中的表示如下圖：

物件頭的結構表示如下圖：

3.2 什麼是鎖升級

下面舉個搶茅坑的例子來解釋一下鎖升級過程。

當只有一個執行緒訪問時叫做偏向鎖

假設我們每個廁所都有一把鑰匙，要想使用廁所首先必須得獲得鎖。某天上午員工甲急急忙忙的打完卡上廁所了，並在廁所門上貼了 “工號007使用中”的標籤，說明目前被工號007(相當於執行緒id)的員工佔用呢,他再次向進入的時候只要上面的標籤還顯示工號007，他自己可以隨便進入，不需要再次上鎖了，有點偏向工號007員工的意思，所以這叫偏向鎖。

發生競爭的時候升級成輕量級鎖 (自旋等待)

員工甲正在使用廁所的時候，又來了兩個人想用廁所，但發現廁所被人使用著呢，無法獲得鎖。所以只能在外面等著甲出來，他們等的過程叫做“自旋”，這個叫做輕量級鎖。那麼又有一個問題，當甲出來之後正等著的那兩個人誰活得鎖呢？有兩種方式，按到達的順序來排隊或者不排隊，這兩種都可以實現，前者叫做公平鎖，後者叫做非公平鎖。

自旋等待沒結果的時候升級成重量級鎖

但那兩個人自旋一段時間之後發現甲還沒出來(JDK1.6規定為10次)，一直這麼等也不是個法子啊，所以打算向上升級，找廁所管理員(作業系統)反饋，升級成了重量級鎖了

鎖的狀態總共有四種，無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。隨著鎖的競爭，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖。

偏向鎖
偏向鎖也是JDK 1.6中引入的一項鎖優化， 引入它是為了優化在沒有鎖競爭場景下的鎖消除。比如一段同步程式碼一直是由單個執行緒呼叫，在這種場景下就沒必要使用同步鎖了，這裡指的同步鎖不是指synchronized，而是說沒不要到作業系統層面的互斥量了。
偏向鎖的偏向是指該同步程式碼會一直偏向第一個呼叫它的執行緒,直到有別的執行緒過來競爭這把鎖，在第一次呼叫同步程式碼並獲得鎖時會在物件頭和棧幀鎖記錄行(Lock Record)裡儲存偏向執行緒Id,該執行緒在此進入的時候就不需要重新申請鎖了。只需檢測物件頭的Mark Word裡是否儲存著指向該執行緒的ID即可。

直到又有執行緒來競爭這把鎖的時候偏向鎖會撤銷偏向。

輕量級鎖

輕量級鎖是JDK 1.6之中加入的新型鎖機制， 它名字中的“輕量級”是相對於使用作業系統 互斥量來實現的傳統鎖而言的， 因此傳統的鎖機制就稱為“重量級”鎖。 它並不是用來代替重量級鎖的， 它的本意是在統的重量級鎖使用作業系統互斥量產生的效能消耗。

執行緒在執行同步塊之前，JVM會先在當前執行緒的棧楨中建立用於儲存鎖記錄的空間，並將物件頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然後執行緒嘗試使用CAS將物件頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指標。如果成功，當前執行緒獲得鎖，如果失敗，表示其他執行緒競爭鎖，當前執行緒便嘗試使用自旋來獲取鎖.一直原地自旋，如果自旋數達到10次了則升級為重量級鎖。

重量級鎖
競爭的執行緒自旋一段時間未能獲取鎖之後會升級為重量級鎖，這個時候鎖的獲取與釋放都會由作業系統來分配了，如果持有鎖的執行緒釋放鎖之後作業系統會喚醒所有阻塞的哪些執行緒，並進入新一輪的爭搶模式，需要注意的是這些阻塞的執行緒沒有獲得鎖的優先順序，也就是說synchronized鎖是非公平的。除此之外synchronized對中斷操作也是無感的，不會因為被中斷而放棄阻塞等待，它要麼得到鎖要麼一直阻塞。