Java Synchronized
在并发编程中Synchronized一直都是元老级的角色，Jdk 1.6以前大家都称呼它为重量级锁，相对于J U C包提供的Lock，它会显得笨重，不过随着Jdk 1.6对Synchronized进行各种优化后，Synchronized性能已经非常快了。

内容大纲

Synchronized - 图1

Synchronized使用方式

Synchronized是Java提供的同步关键字，在多线程场景下，对共享资源代码段进行读写操作（必须包含写操作，光读不会有线程安全问题，因为读操作天然具备线程安全特性），可能会出现线程安全问题，可以使用Synchronized锁定共享资源代码段，达到互斥（mutualexclusion）效果，保证线程安全。
共享资源代码段又称为临界区（critical section），保证临界区互斥，是指执行临界区（critical section）的只能有一个线程执行，其他线程阻塞等待，达到排队效果。
Synchronized - 图2
Synchronized的食用方式有三种

  • 修饰普通函数，监视器锁（monitor）便是对象实例（this）
  • 修饰静态静态函数，视器锁（monitor）便是对象的Class实例（每个对象只有一个Class实例）

  • 修饰代码块，监视器锁（monitor）是指定对象实例

    普通函数

    普通函数使用Synchronized的方式很简单，在访问权限修饰符与函数返回类型间加上Synchronized。
    Synchronized - 图3
    多线程场景下，thread与threadTwo两个线程执行incr函数，incr函数作为共享资源代码段被多线程读写操作，将它称为临界区，为了保证临界区互斥，使用Synchronized修饰incr函数即可。

    1. public class SyncTest {
    2.   private int j = 0;
    4.   /**
    5.    * 自增方法
    6.    */
    7.   public synchronized void incr(){
    8.       //临界区代码--start
    9.       for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    10.           j++;
    11.       }
    12.       //临界区代码--end
    13.   }
    14.   public int getJ() {
    15.       return j;
    16.   }
    17. }
    18. public class SyncMain {
    19.   public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
    20.       SyncTest syncTest = new SyncTest();
    21.       Thread thread = new Thread(() -> syncTest.incr());
    22.       Thread threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incr());
    23.       thread.start();
    24.       threadTwo.start();
    25.       thread.join();
    26.       threadTwo.join();
    27.       //最终打印结果是20000，如果不使用synchronized修饰，就会导致线程安全问题，输出不确定结果
    28.       System.out.println(syncTest.getJ());
    29.   }
    30. }

    代码十分简单，incr函数被synchronized修饰，函数逻辑是对j进行10000次累加，两个线程执行incr函数，最后输出j结果。
    被synchronized修饰函数简称同步函数，线程执行称同步函数前，需要先获取监视器锁，简称锁，获取锁成功才能执行同步函数，同步函数执行完后，线程会释放锁并通知唤醒其他线程获取锁，获取锁失败「则阻塞并等待通知唤醒该线程重新获取锁」，同步函数会以this作为锁，即当前对象，以上面的代码段为例就是syncTest对象。
    Synchronized - 图4

  • 线程thread执行syncTest.incr()前

  • 线程thread获取锁成功
  • 线程threadTwo执行syncTest.incr()前
  • 线程threadTwo获取锁失败
  • 线程threadTwo阻塞并等待唤醒
  • 线程thread执行完syncTest.incr()，j累积到10000
  • 线程thread释放锁，通知唤醒threadTwo线程获取锁
  • 线程threadTwo获取锁成功
  • 线程threadTwo执行完syncTest.incr()，j累积到20000

  • 线程threadTwo释放锁

    静态函数

    静态函数顾名思义，就是静态的函数，它使用Synchronized的方式与普通函数一致，唯一的区别是锁的对象不再是this，而是Class对象。
    Synchronized - 图5
    多线程执行Synchronized修饰静态函数代码段如下。

    1. public class SyncTest {
    2.   private static int j = 0;
    4.   /**
    5.    * 自增方法
    6.    */
    7.   public static synchronized void incr(){
    8.       //临界区代码--start
    9.       for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    10.           j++;
    11.       }
    12.       //临界区代码--end
    13.   }
    14.   public static int getJ() {
    15.       return j;
    16.   }
    17. }
    18. public class SyncMain {
    19.   public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
    20.       Thread thread = new Thread(() -> SyncTest.incr());
    21.       Thread threadTwo = new Thread(() -> SyncTest.incr());
    22.       thread.start();
    23.       threadTwo.start();
    24.       thread.join();
    25.       threadTwo.join();
    26.       //最终打印结果是20000，如果不使用synchronized修饰，就会导致线程安全问题，输出不确定结果
    27.       System.out.println(SyncTest.getJ());
    28.   }
    29. }

    Java的静态资源可以直接通过类名调用，静态资源不属于任何实例对象，它只属于Class对象，每个Class在J V M中只有唯一的一个Class对象，所以同步静态函数会以Class对象作为锁，后续获取锁、释放锁流程都一致。

    代码块

    前面介绍的普通函数与静态函数粒度都比较大，以整个函数为范围锁定，现在想把范围缩小、灵活配置，就需要使用代码块了，使用{}符号定义范围给Synchronized修饰。
    Synchronized - 图6
    下面代码中定义了syncDbData函数，syncDbData是一个伪同步数据的函数，耗时2秒，并且逻辑不涉及共享资源读写操作（非临界区），另外还有两个函数incr与incrTwo，都是在自增逻辑前执行了syncDbData函数，只是使用Synchronized的姿势不同，一个是修饰在函数上，另一个是修饰在代码块上。

    1. public class SyncTest {
    2.   private static int j = 0;
    3.   /**
    4.    * 同步库数据，比较耗时，代码资源不涉及共享资源读写操作。
    5.    */
    6.   public void syncDbData() {
    7.       System.out.println("db数据开始同步------------");
    8.       try {
    9.           //同步时间需要2秒
    10.           Thread.sleep(2000);
    11.       } catch (InterruptedException e) {
    12.           e.printStackTrace();
    13.       }
    14.       System.out.println("db数据开始同步完成------------");
    15.   }
    16.   //自增方法
    17.   public synchronized void incr() {
    18.       //start--临界区代码
    19.       //同步库数据
    20.       syncDbData();
    21.       for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    22.           j++;
    23.       }
    24.       //end--临界区代码
    25.   }
    26.   //自增方法
    27.   public void incrTwo() {
    28.       //同步库数据
    29.       syncDbData();
    30.       synchronized (this) {
    31.           //start--临界区代码
    32.           for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    33.               j++;
    34.           }
    35.           //end--临界区代码
    36.       }
    37.   }
    38.   public int getJ() {
    39.       return j;
    40.   }
    41. }
    42. public class SyncMain {
    43.   public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
    44.       //incr同步方法执行
    45.       SyncTest syncTest = new SyncTest();
    46.       Thread thread = new Thread(() -> syncTest.incr());
    47.       Thread threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incr());
    48.       thread.start();
    49.       threadTwo.start();
    50.       thread.join();
    51.       threadTwo.join();
    52.       //最终打印结果是20000
    53.       System.out.println(syncTest.getJ());
    54.       //incrTwo同步块执行
    55.       thread = new Thread(() -> syncTest.incrTwo());
    56.       threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incrTwo());
    57.       thread.start();
    58.       threadTwo.start();
    59.       thread.join();
    60.       threadTwo.join();
    61.       //最终打印结果是40000
    62.       System.out.println(syncTest.getJ());
    63.   }
    64. }

    先看看incr同步方法执行，流程和前面没区别，只是Synchronized锁定的范围太大，把syncDbData()也纳入临界区中，多线程场景执行，会有性能上的浪费，因为syncDbData()完全可以让多线程并行或并发执行。
    Synchronized - 图7
    通过代码块的方式，来缩小范围，定义正确的临界区，提升性能，目光转到incrTwo同步块执行，incrTwo函数使用修饰代码块的方式同步，只对自增代码段进行锁定。
    Synchronized - 图8
    代码块同步方式除了灵活控制范围外，还能做线程间的协同工作，因为Synchronized ()括号中能接收任何对象作为锁，所以可以通过Object的wait、notify、notifyAll等函数，做多线程间的通信协同（这里不对线程通信协同做展开，主角是Synchronized，而且也不推荐去用这些方法，因为LockSupport工具类会是更好的选择）。

  • wait：当前线程暂停，释放锁

  • notify：释放锁，唤醒调用了wait的线程（如果有多个随机唤醒一个）

  • notifyAll：释放锁，唤醒调用了wait的所有线程

    Synchronized原理

    1. public class SyncTest {
    2.   private static int j = 0;
    3.   /**
    4.    * 同步库数据，比较耗时，代码资源不涉及共享资源读写操作。
    5.    */
    6.   public void syncDbData() {
    7.       System.out.println("db数据开始同步------------");
    8.       try {
    9.           //同步时间需要2秒
    10.           Thread.sleep(2000);
    11.       } catch (InterruptedException e) {
    12.           e.printStackTrace();
    13.       }
    14.       System.out.println("db数据开始同步完成------------");
    15.   }
    16.   //自增方法
    17.   public synchronized void incr() {
    18.       //start--临界区代码
    19.       //同步库数据
    20.       syncDbData();
    21.       for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    22.           j++;
    23.       }
    24.       //end--临界区代码
    25.   }
    26.   //自增方法
    27.   public void incrTwo() {
    28.       //同步库数据
    29.       syncDbData();
    30.       synchronized (this) {
    31.           //start--临界区代码
    32.           for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    33.               j++;
    34.           }
    35.           //end--临界区代码
    36.       }
    37.   }
    38.   public int getJ() {
    39.       return j;
    40.   }
    41. }

    为了探究Synchronized原理，对上面的代码进行反编译，输出反编译后结果，看看底层是如何实现的（环境Java 11、win 10系统）。

    1. 只截取了incr与incrTwo函数内容
    3. public synchronized void incr();
    4.   Code:
    5.      0: aload_0                                         
    6.      1: invokevirtual #11                 // Method syncDbData:()V 
    7.      4: iconst_0                          
    8.      5: istore_1                          
    9.      6: iload_1                                     
    10.      7: sipush        10000               
    11.     10: if_icmpge     27
    12.     13: getstatic     #12                 // Field j:I
    13.     16: iconst_1
    14.     17: iadd
    15.     18: putstatic     #12                 // Field j:I
    16.     21: iinc          1, 1
    17.     24: goto          6
    18.     27: return
    19. public void incrTwo();    
    20.   Code:
    21.      0: aload_0
    22.      1: invokevirtual #11                 // Method syncDbData:()V
    23.      4: aload_0
    24.      5: dup
    25.      6: astore_1
    26.      7: monitorenter                     //获取锁
    27.      8: iconst_0
    28.      9: istore_2
    29.     10: iload_2
    30.     11: sipush        10000
    31.     14: if_icmpge     31
    32.     17: getstatic     #12                 // Field j:I
    33.     20: iconst_1
    34.     21: iadd
    35.     22: putstatic     #12                 // Field j:I
    36.     25: iinc          2, 1
    37.     28: goto          10
    38.     31: aload_1
    39.     32: monitorexit                      //正常退出释放锁 
    40.     33: goto          41
    41.     36: astore_3
    42.     37: aload_1
    43.     38: monitorexit                      //异步退出释放锁    
    44.     39: aload_3
    45.     40: athrow
    46.     41: return

    ps:对上面指令感兴趣的读者，可以百度或google一下“JVM 虚拟机字节码指令表”
    先看incrTwo函数，incrTwo是代码块方式同步，在反编译后的结果中，发现存在monitorenter与monitorexit指令（获取锁、释放锁）。
    monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置，monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置，J V M需要保证每一个 monitorenter都有monitorexit与之对应。
    任何对象都有一个监视器锁（monitor）关联，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权。

  • 如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程为monitor的所有者

  • 如果线程已经占有该monitor，重新进入，则monitor的进入数加1
  • 线程执行monitorexit，monitor的进入数-1，执行过多少次monitorenter，最终要执行对应次数的monitorexit
  • 如果其他线程已经占用monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权

回过头看incr函数，incr是普通函数方式同步，虽然在反编译后的结果中没有看到monitorenter与monitorexit指令，但是实际执行的流程与incrTwo函数一样，通过monitor来执行，只不过它是一种隐式的方式来实现，最后放一张流程图。
Synchronized - 图9

Synchronized优化

Jdk 1.5以后对Synchronized关键字做了各种的优化，经过优化后Synchronized已经变得原来越快了，这也是为什么官方建议使用Synchronized的原因，具体的优化点如下。

  • 锁粗化
  • 锁消除
  • 锁升级

    锁粗化

    互斥的临界区范围应该尽可能小，这样做的目的是为了使同步的操作数量尽可能缩小，缩短阻塞时间，如果存在锁竞争，那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。
    但是加锁解锁也需要消耗资源，如果存在一系列的连续加锁解锁操作，可能会导致不必要的性能损耗，锁粗化就是将「多个连续的加锁、解锁操作连接在一起」，扩展成一个范围更大的锁，避免频繁的加锁解锁操作。
    Synchronized - 图10
    JVM会检测到一连串的操作都对同一个对象加锁（for循环10000次执行j++，没有锁粗化就要进行10000次加锁/解锁），此时J V M就会将加锁的范围粗化到这一连串操作的外部（比如for循环体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。

    锁消除

    Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，经过逃逸分析（对象在函数中被使用，也可能被外部函数所引用，称为函数逃逸），去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的时间消耗。
    Synchronized - 图11
    代码中使用Object作为锁，但是Object对象的生命周期只在incrFour()函数中，并不会被其他线程所访问到，所以在J I T编译阶段就会被优化掉（此处的Object属于没有逃逸的对象）。

    锁升级

    Java中每个对象都拥有对象头，对象头由Mark World 、指向类的指针、以及数组长度三部分组成，只需要关心Mark World 即可，Mark World 记录了对象的HashCode、分代年龄和锁标志位信息。
    Mark World简化结构
锁状态 存储内容 锁标记
无锁 对象的hashCode、对象分代年龄、是否是偏向锁（0） 01
偏向锁 偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄、是否是偏向锁（1） 01
轻量级锁 指向栈中锁记录的指针 00
重量级锁 指向互斥量（重量级锁）的指针 10

锁的升级变化，体现在锁对象的对象头Mark World部分，也就是说Mark World的内容会随着锁升级而改变。
Java1.5以后为了减少获取锁和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁，Synchronized的升级顺序是 「无锁—>偏向锁—>轻量级锁—>重量级锁，只会升级不会降级」

偏向锁

在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁，其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时，降低获取锁带来的消耗，提高性能（可以通过J V M参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态）。
线程执行同步代码或方法前，线程只需要判断对象头的Mark Word中线程ID与当前线程ID是否一致，如果一致直接执行同步代码或方法，具体流程如下
Synchronized - 图12

  • 无锁状态，存储内容「是否为偏向锁（0）」，锁标识位01
    • CAS设置当前线程ID到Mark Word存储内容中
    • 是否为偏向锁0 => 是否为偏向锁1
    • 执行同步代码或方法

  • 偏向锁状态，存储内容「是否为偏向锁（1）、线程ID」，锁标识位01

    • 对比线程ID是否一致，如果一致执行同步代码或方法，否则进入下面的流程
    • 如果不一致，CAS将Mark Word的线程ID设置为当前线程ID，设置成功，执行同步代码或方法，否则进入下面的流程
    • CAS设置失败，证明存在多线程竞争情况，触发撤销偏向锁，当到达全局安全点，偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后在安全点的位置恢复继续往下执行。

      轻量级锁

      轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，持有锁时间也不长的场景。因为阻塞线程需要C P U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，所以干脆不阻塞这个线程，让它自旋一段时间等待锁释放。
      当前线程持有的锁是偏向锁的时候，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。轻量级锁的获取主要有两种情况：① 当关闭偏向锁功能时；② 多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁。
      Synchronized - 图13

  • 无锁状态，存储内容「是否为偏向锁（0）」，锁标识位01

    • 关闭偏向锁功能时
    • CAS设置当前线程栈中锁记录的指针到Mark Word存储内容
    • 锁标识位设置为00
    • 执行同步代码或方法
    • 释放锁时，还原来Mark Word内容
  • 轻量级锁状态，存储内容「线程栈中锁记录的指针」，锁标识位00（存储内容的线程是指”持有轻量级锁的线程”）
    • CAS设置当前线程栈中锁记录的指针到Mark Word存储内容，设置成功获取轻量级锁，执行同步块代码或方法，否则执行下面的逻辑
    • 设置失败，证明多线程存在一定竞争，线程自旋上一步的操作，自旋一定次数后还是失败，轻量级锁升级为重量级锁
    • Mark Word存储内容替换成重量级锁指针，锁标记位10

      重量级锁

      轻量级锁膨胀之后，就升级为重量级锁，重量级锁是依赖操作系统的MutexLock（互斥锁）来实现的，需要从用户态转到内核态，这个成本非常高，这就是为什么Java1.6之前Synchronized效率低的原因。
      升级为重量级锁时，锁标志位的状态值变为10，此时Mark Word中存储内容的是重量级锁的指针，等待锁的线程都会进入阻塞状态，下面是简化版的锁升级过程。
      Synchronized - 图14