Synchronized的底層實現
阿新 • • 發佈：2019-02-19
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synchronized的使用場景
- 修飾普通方法 （物件例項鎖）
- 修飾程式碼塊 （物件例項鎖）
- 修飾靜態方法 （類鎖）
synchronized底層原理（主要基於物件頭和monitor來實現）
synchronized的鎖就是存在於物件頭中，Monitor監視器就是相當於同步工具
物件頭
物件頭包括倆部分：1、Mark Word（標記欄位）2、 Klass Pointer（型別指標）
1、標記欄位用於儲存自身的執行時資料
例如：hashcode、GC分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖、偏向執行緒 ID、偏向時間戳等等。（如果物件是陣列則還有對應表示陣列長度的資訊，但是無法從陣列的元資料來確定陣列 的大小）2、型別指標是物件指向它的類元資料的指標，虛擬機器通過這個指標來確定這個物件是哪個類的例項。
monitor
Monitor 是執行緒私有的資料結構，每一個執行緒都有一個可用monitor record列表，同時還有一個全域性的可用列表。每一個被鎖住的物件都會和一個monitor關聯（物件頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同時monitor中有一個Owner欄位存放擁有該鎖的執行緒的唯一標識，表示該鎖被這個執行緒佔用
monitor具體操作
每個物件有一個監視器鎖（monitor）。當monitor被佔用時就會處於鎖定狀態，執行緒執行monitorenter指令時嘗試獲取monitor的所有權，過程如下： 1、如果monitor的進入數為0，則該執行緒進入monitor，然後將進入數設定為1，該執行緒即為monitor的所有者。 2、如果執行緒已經佔有該monitor，只是重新進入，則進入monitor的進入數加1. 3.如果其他執行緒已經佔用了monitor，則該執行緒進入阻塞狀態，直到monitor的進入數為0，再重新嘗試獲取monitor的所有權。
鎖優化
jdk1.6對鎖的實現引入了大量的優化，如自旋鎖、適應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級鎖等技術來減少鎖操作的開銷。
鎖主要存在四中狀態，依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態、重量級鎖狀態，他們會隨著競爭的激烈而逐漸升級。注意鎖可以升級不可降級，這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
自旋鎖
執行緒的阻塞和喚醒需要CPU從使用者態轉為核心態，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說是一件負擔很重的工作，勢必會給系統的併發效能帶來很大的壓力。同時我們發現在許多應用上面，物件鎖的鎖狀態只會持續很短一段時間，為了這一段很短的時間頻繁地阻塞和喚醒執行緒是非常不值得的。所以引入自旋鎖。
何謂自旋鎖？
所謂自旋鎖，就是讓該執行緒等待一段時間，不會被立即掛起，看持有鎖的執行緒是否會很快釋放鎖。怎麼等待呢？執行一段無意義的迴圈即可（自旋）。
自旋等待不能替代阻塞，先不說對處理器數量的要求（多核，貌似現在沒有單核的處理器了），雖然它可以避免執行緒切換帶來的開銷，但是它佔用了處理器的時間。如果持有鎖的執行緒很快就釋放了鎖，那麼自旋的效率就非常好，反之，自旋的執行緒就會白白消耗掉處理的資源，它不會做任何有意義的工作，典型的佔著茅坑不拉屎，這樣反而會帶來效能上的浪費。所以說，自旋等待的時間（自旋的次數）必須要有一個限度，如果自旋超過了定義的時間仍然沒有獲取到鎖，則應該被掛起。
自旋鎖在JDK 適應自旋鎖
DK 1.6引入了更加聰明的自旋鎖，即自適應自旋鎖。所謂自適應就意味著自旋的次數不再是固定的，它是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態來決定。它怎麼做呢？執行緒如果自旋成功了，那麼下次自旋的次數會更加多，因為虛擬機器認為既然上次成功了，那麼此次自旋也很有可能會再次成功，那麼它就會允許自旋等待持續的次數更多。反之，如果對於某個鎖，很少有自旋能夠成功的，那麼在以後要或者這個鎖的時候自旋的次數會減少甚至省略掉自旋過程，以免浪費處理器資源。
有了自適應自旋鎖，隨著程式執行和效能監控資訊的不斷完善，虛擬機器對程式鎖的狀況預測會越來越準確，虛擬機器會變得越來越聰明。鎖消除
為了保證資料的完整性，我們在進行操作時需要對這部分操作進行同步控制，但是在有些情況下，JVM檢測到不可能存在共享資料競爭，這是JVM會對這些同步鎖進行鎖消除。鎖消除的依據是逃逸分析的資料支援。
如果不存在競爭，為什麼還需要加鎖呢？所以鎖消除可以節省毫無意義的請求鎖的時間。變數是否逃逸，對於虛擬機器來說需要使用資料流分析來確定，但是對於我們程式設計師來說這還不清楚麼？我們會在明明知道不存在資料競爭的程式碼塊前加上同步嗎？但是有時候程式並不是我們所想的那樣？我們雖然沒有顯示使用鎖，但是我們在使用一些JDK的內建API時，如StringBuffer、Vector、HashTable等，這個時候會存在隱形的加鎖操作。比如StringBuffer的append()方法，Vector的add()方法：
public void vectorTest(){
Vector<String> vector = new Vector<String>();
for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
vector.add(i + "");
}
System.out.println(vector);
}
在執行這段程式碼時，JVM可以明顯檢測到變數vector沒有逃逸出方法vectorTest()之外，所以JVM可以大膽地將vector內部的加鎖操作消除。鎖粗化
我們知道在使用同步鎖的時候，需要讓同步塊的作用範圍儘可能小—僅在共享資料的實際作用域中才進行同步，這樣做的目的是為了使需要同步的運算元量儘可能縮小，如果存在鎖競爭，那麼等待鎖的執行緒也能儘快拿到鎖。
在大多數的情況下，上述觀點是正確的，LZ也一直堅持著這個觀點。但是如果一系列的連續加鎖解鎖操作，可能會導致不必要的效能損耗，所以引入鎖粗話的概念。
鎖粗話概念比較好理解，就是將多個連續的加鎖、解鎖操作連線在一起，擴充套件成一個範圍更大的鎖。如上面例項：vector每次add的時候都需要加鎖操作，JVM檢測到對同一個物件（vector）連續加鎖、解鎖操作，會合並一個更大範圍的加鎖、解鎖操作，即加鎖解鎖操作會移到for迴圈之外。輕量級鎖
引入輕量級鎖的主要目的是在多沒有多執行緒競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用作業系統互斥量產生的效能消耗。當關閉偏向鎖功能或者多個執行緒競爭偏向鎖導致偏向鎖升級為輕量級鎖，則會嘗試獲取輕量級鎖，其步驟如下：
獲取鎖
1、判斷當前物件是否處於無鎖狀態（hashcode、0、01），若是，則JVM首先將在當前執行緒的棧幀中建立一個名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用於儲存鎖物件目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個Displaced字首，即Displaced Mark Word）；否則執行步驟（3）；
2、JVM利用CAS操作嘗試將物件的Mark Word更新為指向Lock Record的指正，如果成功表示競爭到鎖，則將鎖標誌位變成00（表示此物件處於輕量級鎖狀態），執行同步操作；如果失敗則執行步驟（3）；
3、判斷當前物件的Mark Word是否指向當前執行緒的棧幀，如果是則表示當前執行緒已經持有當前物件的鎖，則直接執行同步程式碼塊；否則只能說明該鎖物件已經被其他執行緒搶佔了，這時輕量級鎖需要膨脹為重量級鎖，鎖標誌位變成10，後面等待的執行緒將會進入阻塞狀態；
釋放鎖
輕量級鎖的釋放也是通過CAS操作來進行的，主要步驟如下：
1、取出在獲取輕量級鎖儲存在Displaced Mark Word中的資料；
2、用CAS操作將取出的資料替換當前物件的Mark Word中，如果成功，則說明釋放鎖成功，否則執行（3）；
3、如果CAS操作替換失敗，說明有其他執行緒嘗試獲取該鎖，則需要在釋放鎖的同時需要喚醒被掛起的執行緒。
對於輕量級鎖，其效能提升的依據是“對於絕大部分的鎖，在整個生命週期內都是不會存在競爭的”，如果打破這個依據則除了互斥的開銷外，還有額外的CAS操作，因此在有多執行緒競爭的情況下，輕量級鎖比重量級鎖更慢；偏向鎖
引入偏向鎖主要目的是：為了在無多執行緒競爭的情況下儘量減少不必要的輕量級鎖執行路徑。上面提到了輕量級鎖的加鎖解鎖操作是需要依賴多次CAS原子指令的。那麼偏向鎖是如何來減少不必要的CAS操作呢？我們可以檢視Mark work的結構就明白了。只需要檢查是否為偏向鎖、鎖標識為以及ThreadID即可，處理流程如下：
獲取鎖
1、檢測Mark Word是否為可偏向狀態，即是否為偏向鎖1，鎖標識位為01；
2、若為可偏向狀態，則測試執行緒ID是否為當前執行緒ID，如果是，則執行步驟（5），否則執行步驟（3）；
3、如果執行緒ID不為當前執行緒ID，則通過CAS操作競爭鎖，競爭成功，則將Mark Word的執行緒ID替換為當前執行緒ID，否則執行執行緒（4）；
4、通過CAS競爭鎖失敗，證明當前存在多執行緒競爭情況，當到達全域性安全點，獲得偏向鎖的執行緒被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖，然後被阻塞在安全點的執行緒繼續往下執行同步程式碼塊；
5、執行同步程式碼塊
釋放鎖
偏向鎖的釋放採用了一種只有競爭才會釋放鎖的機制，執行緒是不會主動去釋放偏向鎖，需要等待其他執行緒來競爭。偏向鎖的撤銷需要等待全域性安全點（這個時間點是上沒有正在執行的程式碼）。其步驟如下：
1、暫停擁有偏向鎖的執行緒，判斷鎖物件石是否還處於被鎖定狀態；
2、撤銷偏向蘇，恢復到無鎖狀態（01）或者輕量級鎖的狀態；