Java中的Synchronized关键字原理及应用

源码级别剖析Synchronized

对象结构

Synchronized是Java中的隐式锁，它的获取锁和释放锁都是隐式的，完全交由JVM帮助我们操作，在了解Synchronized关键字之前，首先要学习的知识点就是Java的对象结构，因为Synchronized锁就是存放在Java对象中的，Java对象结构如下图所示：

可以清晰的看到Java对象由三部分组成，分别是对象头、实例数据、填充数据，我们的锁就存放在对象头中，接下来我们将对对象结构做一个简单的解析：

• mark-down：对象标记字段占8个字节，用于存储有关锁的标记位等信息，从图中可以看出有哈希值、轻量级锁的标记位、偏向锁标记位等。

• Klass Pointer：Class对象的类型指针，它就是指向当前对象属于哪个Class类的指针，jdk1.8默认开启压缩指针后占用4个字节，关闭压缩指针后占用8个字节。

• 对象实际数据：这部分内容包括对象的所有成员变量，大小由各个成员变量决定，比如byte占用1个字节、int占用4个字节等。

• 对其填充：这部分内容仅仅只是做到空间补全，就是一个占位符的作用，因为HotSpot虚拟机的内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，因此如果出现对象实例没有对齐的话，就需要通过对其填充来补充。

在mark-down锁类型标记中，可以看到总共有五种类型，分别是无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁、GC标记，所以如果只是使用2比特标记是无法完全被表示出来的，所以引入了一位偏向锁标记，也就是说001为无锁、101为偏向锁。

Monitor 对象

上面介绍了对象结构，可以看到在Mark-down中会存储不同的锁信息，当锁的状态为重量级锁（10）时，Mark-down中会存放一个指向Monitor对象的指针，这个Monitor对象也称为监视器锁。

synchronized的运行机制，就是JVM检测到共享对象存在不同的竞争情况的时候，会自动切换到适合的锁实现，这种切换就是锁的升级、降级。（很多地方都说锁只能升级，不能降级，其实这种说法是错误的，在《Java并发编程的艺术》书中说到，对于偏向锁来说，它可以进行降级到无锁状态，也叫做偏向锁的撤销）。

那么现在就存在着三种不同的Monitor实现，分别是偏向锁、轻量级锁和重量级锁。如果一个Monitor被一个线程持有的时候，就说明这个线程拿到了锁。

Java中的Monitor是基于C++的ObjectMonitor实现的，它的主要成员包括：

• _owner：指向持有ObjectMonitor对象的线程

• _WaitSet：存放处于wait状态的线程队列，即调用wait()方法的线程

• _EntryList：存放处于等待锁Block状态的线程队列

• _count：约为_WaitSet+_EntryList的节点数之和

• _cxq：多个线程争抢锁，会先存入这个单向链表

• _recursions：记录重入次数

• _object：存储的Monitor对象

获取Monitor对象的线程进入_owner区的时候，_count+1，如果线程调用了wait()方法，那么会释放Monitor对象（释放锁），_owner恢复为空同时_count-1。此时该线程进入_WaitSet队列中，等待被唤醒。

从上述的描述可以看出，synchronized关键字获取锁的关键在于每个对象的对象头中，这也就能解释了为什么synchronized()括号里存放任何对象都能获得锁的特征。

Synchronized特征

原子性

原子性，就是说一个操作要么完成，要么不完成，不存在完成一半的情况，也就是说这个操作是不可中断的。

synchronized可以保证同一时间内只有一个线程拿到锁，进入到代码块去执行代码，这样说如果不能理解，那么就想象下面的一个场景，有一个厕所只有一个坑位，并且厕所还上锁了，就是为了防止多人一起上厕所的不文明现象，每个人上厕所都必须要去厕所管理员处缴费，缴费后才能拿到锁再去上厕所，上完厕所再把要是还给厕所管理员，synchronized就是厕所管理员，保证一次只能有一个人拿到锁，并且每个人用完厕所之后都必须要归还钥匙。

接下来看到下面一个同步加方法：

public static void add() {
    synchronized (Demo.class) {
        counter++;
    }
}

将其进行反编译后查看代码：

javap -v -p Demo

public static void add();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC , ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=0
         0: ldc           #12                 // class
         2: dup
         3: astore_0
         4: monitorenter
         5: getstatic     #10                 // Field counter:I
         8: iconst_1
         9: iadd
        10: putstatic     #10                 // Field counter:I
        13: aload_0
        14: monitorexit
        15: goto          23
        18: astore_1
        19: aload_0
        20: monitorexit
        21: aload_1
        22: athrow
        23: return
      Exception table:

可以看到有两个指令明显和monitor有关：

• 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

可见性

可见性指的是当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他的线程能够立马感知，能看到修改后的值。（线程的可见性和一个叫JMM的东西息息相关，后面会写一篇关于可见性结合volatile关键字的文章）

而Synchronized拥有可见性，因为它加锁和释放锁都有如下语义：

• 线程加锁前，必须清空工作内存中共享变量的值，从而从主内存中读取最新的共享变量的值。

• 线程释放锁时，必须把共享变量的值刷新到主内存中。

• synchronized的可见性依赖于操作系统内核互斥锁实现，相当于JVM中的lock，unlock，退出代码块时需要刷新共享变量到主内存中，这一点和volatile关键字不一样，volatile关键字的可见性是依赖于内存屏障（也叫内存栅栏）来实现的。

有序性

as-if-serial，就是保证不管编译器和处理器为了性能优化怎样进行指令重排序，都需要保证单线程下的运行结果的正确性。也就是常说的：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的，如果在一个线程观察另一个线程，所有的操作都是无序的。

注意，这里的有序性和volatile是不一样的，它并不是volatile的防止指令重排序。

可重入锁

可重入锁的概念很简单，就是一个线程可以多次获取自己持有的对象锁，这种锁就是可重入锁，同样的释放锁也就需要释放相同数量的锁。synchronized锁对象中就有一个计数器，用于存放获取锁的次数，也就是重入次数。

锁升级的过程

synchronized 锁有四种交替升级的状态：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级，这几个状态随着竞争情况逐渐升级，后续会补上一张完整的锁升级图。