详解Java Synchronized的实现原理

谈到多线程就不得不谈到Synchronized，重要性不言而喻，今天主要谈谈Synchronized的实现原理。

Synchronized

synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性，synchronized 翻译为中文的意思是同步，也称之为”同步锁“。

synchronized的作用是保证在同一时刻， 被修饰的代码块或方法只会有一个线程执行，以达到保证并发安全的效果。

Synchronized的使用方式

主要有3种使用方式:

1.修饰实例方法：作用于当前实例加锁

public synchronized void method(){

// 代码

}

2.修饰静态方法：作用于当前类对象加锁

public static synchronized void method(){

// 代码

}

3.修饰代码块：指定加锁对象，对给定对象加锁

synchronized(this){

//代码                                  

}

Synchronized的底层实现

synchronized的底层实现是完全依赖JVM虚拟机的,所以谈synchronized的底层实现，就不得不谈数据在JVM内存的存储：Java对象头，以及Monitor对象监视器。

1.Java对象头

在JVM虚拟机中，对象在内存中的存储布局，可以分为三个区域:

• 对象头(Header)

• 实例数据(Instance Data)

• 对齐填充(Padding)

Java对象头主要包括两部分数据：

1)类型指针（Klass Pointer）

是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例;

2)标记字段(Mark Word)

用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键.

所以，很明显synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的标记字段里。

2.Monitor

monitor描述为对象监视器,可以类比为一个特殊的房间，这个房间中有一些被保护的数据，monitor保证每次只能有一个线程能进入这个房间进行访问被保护的数据，进入房间即为持有monitor，退出房间即为释放monitor。

上图是syncrhoized同步代码块反编译截图，可以很清楚的看见，主要就是通过锁对象的monitor的取用（monitorenter）与释放来(monitorexit)实现的。

3.线程状态流转在Monitor上体现

当多个线程同时请求某个对象监视器时，对象监视器会设置几种状态用来区分请求的线程：

• Contention List：所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列

• Entry List：Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List

• Wait Set：那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set

• OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck

• Owner：获得锁的线程称为Owner

• !Owner：释放锁的线程

下图反映了个状态转换关系:

Synchronized 的锁升级

锁解决了数据的安全性，但是同样带来了性能的下降，hotspot 虚拟机的作者经过调查发现，大部分情况下，加锁的代码不仅仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得。

所以基于这样一个概率,synchronized 在JDK1.6 之后做了一些优化，为了减少获得锁和释放锁来的性能开销，引入了偏向锁，锁的状态根据竞争激烈的程度从低到高不断升级。

1.无锁

无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

2.偏向锁

偏向锁是JDK6中引入的一项锁优化，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。

偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。

3.轻量级锁

是指当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。

4.重量级锁

指的是原始的Synchronized的实现，重量级锁的特点：其他线程试图获取锁时，都会被阻塞，只有持有锁的线程释放锁之后才会唤醒这些线程。

来源：https://mp.weixin.qq.com/s/6vJtp0WRDvnonrfFfL1Vsw