推荐|Java 并发 —— Synchronized 关键字和锁升级【可下载 Synchronized

一、Synchronized使用场景

1.1 为什么需要上锁？

1.2 Synchronized 哪些方式同步

二、Synchronized实现原理

2.1 markword 内存布局

2.2 Synchronized 在 jvm 实现原理

四、Synchronized 思维导图（可下载）

一、Synchronized使用场景

Synchronized 是一个 Java 同步关键字，在某些多线程场景下，如果不进行同步会导致数据不安全，而 Synchronized 关键字就是用于代码同步。什么情况下会数据不安全呢，要满足两个条件：一是数据共享（临界资源），二是多线程同时访问并改变该数据。

下面是模拟火车票售卖的示例程序，具体如下：


// Java 并发 —— Synchronized 关键字和锁升级 【争取小白也能看懂】
// 线程操作资源类 - 共享资源
class TrainTicketSale {
    // 火车票剩余张数
    int remainTicketNum = 1_000;
 
    // 卖火车票，卖一张少一张，返回true 表示售票成功，返回false 表示售票失败
    public synchronized boolean sale() {
        if (remainTicketNum > 0 ) {
            // 模拟网络延时
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(System.currentTimeMillis() + "\t" + Thread.currentThread().getName() + "\t剩：" + --remainTicketNum);
            return true;
        }
 
        return false;
    }
 
    // 获取还剩下多少张火车票
    public int getRemainTicketNum() {
        return remainTicketNum;
    }
}
public class T05_Juc_SynchronizedAtomic {
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        TrainTicketSale sale = new TrainTicketSale();
 
        // 运行结果：火车票还剩下：-1 张
        System.out.println("火车票还剩下：" + sale.getRemainTicketNum() + " 张");
 
        Vector vector = new Vector<>(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                while (true) {
                    if (!sale.sale()) break;
                }
            }, "线程名：" + i);
            vector.add(thread);
            thread.start();
        }
 
        // 等待售票线程卖票完毕
        for (Thread thread : vector) {
            thread.join();
        }
 
        // 运行结果：如果没有加 synchronized 关键字，票会出现超卖现象；添加了synchronized 关键字测不会出现超卖
        System.out.println(" Finally 火车票还剩下：" + sale.getRemainTicketNum() + " 张");
    }
}

测试一：没有使用 Synchronized 关键字同步售卖 sale() 方法，火车票出现了超卖现象。

测试二：使用 Synchronized 关键字同步售卖 sale() 方法，火车票没有出现超卖问题了，解决共享资源在多线程下数据同步问题

1.1 为什么需要上锁？

多个线程去访问同一个资源的时候，访问某一段代码或者某临界资源的时候是需要有一把锁的概念的。

比如：我们对一个数字做递增，两个程序对它一块儿来做递增，递增就是把一个程序往上加1，如果两个线程共同访问的时候，第一个线程读它是0，然后把它加1，在自己线程内部内存里面算还没有写回去的时候，第二个线程读到了它还是0，加1再写回去，本来加了两次，但是还是1。

那么我们在对这个数字递增的过程中上把锁，就是说第一个线程对这个数字访问的时候是独占的，不允许别的线程来访问，不允许别的线程来对它进行计算，我必须加完1再释放锁，其他线程才能对它继续加。实质上，这把锁并不是对数字进行锁定的，你可以任意指定，想锁谁就锁谁。

1.2 Synchronized 哪些方式同步

我第一个程序是这么写的，如果说你想上了把锁之后才能对count进行减减访问，你可以new一个Object，所以这里锁定就是lock，当我拿到这把锁的时候才能执行这段代码。

1. Synchronized 修饰同步代码块：锁对象是 Synchronized 后面括号里配置的对象，这个对象可以是某个对象（xLock）

2.Synchronized 修饰同步代码块：锁对象是 Synchronized 后面括号里配置的对象，这个对象可以是某个对象（xLock）

3.Synchronized 修饰普通同步方法：锁对象当前实例对象，实际上是对调用该方法的对象加锁，俗称“对象锁”

4.Synchronized 修饰静态同步方法：锁对象是当前的类 Class 对象，实际上是对该类 Class 对象加锁，俗称“类锁”。

总结一下：Synchronized 锁的3种使用形式（使用场景）：

Synchronized 修饰普通同步方法：锁对象当前实例对象；
Synchronized 修饰静态同步方法：锁对象是当前的类 Class 对象；
Synchronized 修饰同步代码块：锁对象是 Synchronized 后面括号里配置的对象，这个对象可以是某个对象（xLock），也可以是某个类（TLock.class）；

二、Synchronized实现原理

2.1 markword 内存布局

Java对象由三部分构成：对象头、实例数据、对齐补充。

对象头：存储对象自身运行时数据，如：哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志等；
class pointer：类型指针，存储的是对象的属性信息，包括父类的属性信息，按照4字节对齐；
对齐补充：8字节对齐补充；

通过第一部分可以知道，Synchronized 不论是修饰方法还是代码块，都是通过持有修饰对象的锁来实现同步，那么 Synchronized锁对象是存在哪里的呢？答案是存在锁对象的对象头的 MarkWord中。那么 MarkWord在对象头中到底长什么样，也就是它到底存储了什么呢？

Synchronized 优化的过程和 markword 息息相关，用 markword 中最低的三位代表锁状态其中1位是偏向锁位两位是普通锁位

上图中的偏向锁和轻量级锁都是在 jdk 6 以后对锁机制进行优化时引进的，下文的锁升级部分会具体讲解，Synchronized 关键字对应的是重量级锁，接下来对重量级锁在 Hotspot JVM中的实现锁讲解。

2.2 Synchronized 在 jvm 实现原理

在之前的博客文章中也有介绍 Synchronized 相关知识：Java 内存模型 —— 用示例剖析 ，下面我们做一个 Synchronized 同步代码块的代码及对应的字节码，如下：

可以看出同步方法块在进入代码块时插入了 monitorenter 语句，在退出代码块时插入了 monitorexit 语句，为了保证不论是正常执行完毕（第6行）还是异常跳出代码块（第12行）都能执行monitorexit语句，因此会出现两句monitorexit语句。

同时，我们得出这样一个结论：Synchronized自动上锁，自动释放锁

出于兴趣，继续深入 monitorenter 细节，发现 monitorenter 是由C++ 实现的，在 InterpreterRuntime.cpp文件中第608行moniterenter 方法，moniterenter 方法说明，如果使用了偏向锁则执行 fast_enter；如果没有使用偏向锁则执行slow_enter。

三、Synchronized 锁升级

在 JDK早期，Synchronized 叫做重量级锁，jvm 向操作系统申请一把锁，都需要从用户态向系统态的一个转换 Synchronized(lock) 在jdk1.2之前，由OS帮忙管理线程，整个实现过程复杂涉及用户空间向系统空间申请锁，属于重量级锁。

在 JDK后期（jdk 1.6），Synchronized 有锁升级过程，无锁 -> 偏向锁 -> 自旋锁 -> 重量级锁（操作系统OS管理）。这样一来，避免一上来就跟系统空间申请锁资源，比如：单线程场景或多线程下竞争不激烈时，先由 jvm 来实现共享资源数据的同步，属于轻量级锁。

话不多说，直接 Synchronized 锁升级流程图，如下：

如上图所示，图中有偏向锁。默认情况偏向锁启动有个时延，默认是4秒

why? 因为 JVM 虚拟机自己有一些默认启动的线程，里面有多好 sync 代码，这些 sync 代码启动时就知道肯定会有竞争，如果使用偏向锁，就会造成偏向锁不断地进行锁撤销和锁升级的操作，效率较低，可以通过参数：-XX:BiasedLockingStartDelay=0 调整偏向锁启动时间，不过一般我们不会调节它的。

Synchronized 锁升级流程：

如果有线程上锁，上偏向锁，指的就是，把 markword 的线程ID改为自己线程ID的过程，偏向锁不可重偏向；
如果有线程竞争，撤销偏向锁，升级轻量级锁，线程在自己的线程栈生成 LockRecord，用 CAS 操作将 markword 设置为指向自己这个线程的 LR 的指针，设置成功者得到锁。
如果竞争加剧，竞争加剧：有线程超过10次自旋， -XX:PreBlockSpin，或者自旋线程数超过CPU核数的一半，1.6之后，加入自适应自旋 adapative Self Spinning，jvm 自己控制

总结：

new - 偏向锁 - 轻量级锁（也叫无锁，自旋锁，自适应自旋）- 重量级锁
Synchronized 优化的过程和 markword 息息相关
用 markword 中最低的三位代表锁状态其中1位是偏向锁位两位是普通锁位

3.1 锁升级为什么这样设计？

锁的4种状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态（级别从低到高）

3.1.1 偏向锁

为什么要引入偏向锁？

因为经过HotSpot的作者大量的研究发现，大多数时候是不存在锁竞争的，常常是一个线程多次获得同一个锁，因此如果每次都要竞争锁会增大很多没有必要付出的代价，为了降低获取锁的代价，才引入的偏向锁。

偏向锁的升级

当线程1 访问代码块并获取锁对象时，会在 java对象头和栈帧中记录偏向的锁的 threadID，因为偏向锁不会主动释放锁，因此以后线程1 再次获取锁的时候，需要比较当前线程的 threadID 和 Java 对象头中的 threadID 是否一致，如果一致（还是线程1获取锁对象），则无需使用 CAS 来加锁、解锁；如果不一致（其他线程，如线程2 要竞争锁对象，而偏向锁不会主动释放因此还是存储的线程1 的 threadID），那么需要查看 Java 对象头中记录的线程1是否存活，如果没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态，其它线程（线程2）可以竞争将其设置为偏向锁；如果存活，那么立刻查找该线程（线程1）的栈帧信息，如果还是需要继续持有这个锁对象，那么暂停当前线程1，撤销偏向锁，升级为轻量级锁，如果线程1 不再使用该锁对象，那么将锁对象状态设为无锁状态，重新偏向新的线程。

偏向锁撤销

为什么频繁的偏向锁撤销会导致STW时间增加呢？阅读偏向锁源码可以知道：偏向锁的撤销需要等待全局安全点（safe point）,暂停持有偏向锁的线程，检查持有偏向锁的线程状态。首先遍历当前JVM的所有线程，如果能找到偏向线程，则说明偏向的线程还存活，此时检查线程是否在执行同步代码块中的代码，如果是，则升级为轻量级锁，进行CAS竞争锁。可以看出撤销偏向锁的时候会导致stop the word。

偏向锁的优化（取消或延迟）：

因为偏向锁的撤销是非常重的操作，甚至会导致STW，那么我们可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁。偏向锁默认是系统启动几秒钟后启用偏向锁，默认为4秒，原因在于，系统刚启动时，一般数据竞争是比较激烈的，此时启用偏向锁会降低性能，可以使用参数进行设置：-XX:BiasedLockingStartupDelay=5

3.1.2 轻量级锁（自旋锁）

为什么要引入轻量级锁？

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景。因为阻塞线程需要CPU从用户态转到内核态，代价较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失了，因此这个时候就干脆不阻塞这个线程，让它自旋等待锁释放。

偏向锁是否一定比自旋锁效率高？

不一定，在明确知道会有多线程竞争的情况下，偏向锁肯定会涉及锁撤销，这时候直接使用自旋锁；JVM启动过程，会有很多线程竞争（明确），所以默认情况启动时不打开偏向锁，过一段儿时间再打开。

为什么有自旋锁，还需要重要级锁？

自旋是消耗CPU资源的，如果锁的时间长，或者自旋线程多，CPU会被大量消耗；重量级锁有等待队列，所有拿不到锁的进入等待队列，不需要消耗CPU资源，重量级锁会通过操作系统，将线程放入等待队列_WaitSet

轻量级锁什么时候升级为重量级锁？

线程1 获取轻量级锁时会先把锁对象的对象头 MarkWord 复制一份到线程1 的栈帧中创建的用于存储锁记录的空间（称为DisplacedMarkWord），然后使用 CAS 把对象头中的内容替换为线程1存储的锁记录（DisplacedMarkWord）的地址；

如果在线程1 复制对象头的同时（在线程1 CAS 之前），线程2 也准备获取锁，复制了对象头到线程2 的锁记录空间中，但是在线程2 CAS 的时候，发现线程1 已经把对象头换了，线程2 的 CAS 失败，那么线程2 就尝试使用自旋锁来等待线程1 释放锁。

但是如果自旋的时间太长也不行，因为自旋是要消耗 CPU 的，因此自旋的次数是有限制的，比如10次或者100次，如果自旋次数到了线程1 还没有释放锁，或者线程1 还在执行，线程2 还在自旋等待，这时又有一个线程3 过来竞争这个锁对象，那么这个时候轻量级锁就会膨胀为重量级锁。重量级锁把除了拥有锁的线程都阻塞，防止CPU空转。

*注意：为了避免无用的自旋，轻量级锁一旦膨胀为重量级锁就不会再降级为轻量级锁了；偏向锁升级为轻量级锁也不能再降级为偏向锁。一句话就是锁可以升级不可以降级，但是偏向锁状态可以被重置为无锁状态。

这几种锁的优缺点（偏向锁、轻量级锁、重量级锁）