前言
毫无疑问，synchronized 是我们用过的第一个并发关键字，很多博文都在讲解这个技术。不过大多数讲解还停留在对 synchronized 的使用层面，其底层的很多原理和优化，很多人可能并不知晓。因此本文将通过对 synchronized 的大量 C 源码分析，让大家对他的了解更加透彻点。
本篇将从为什么要引入 synchronized，常见的使用方式，存在的问题以及优化部分这四个方面描述，话不多说，开始表演。
可见性问题及解决
概念描述
指一个线程对共享变量进行修改，另一个能立刻获取到修改后的最新值。
代码展示
类：
public class Example1 {
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运行结果：
分析
这边先要了解下 Java 的内存模式，不明白的可点击传送门，todo。
下图线程 t1,t2 从主内存分别获取 flag=true，t1 空循环，直到 flag 为 false 的时候退出循环。t2 拿到 flag 的值，将其改为 false，并写入到主内存。此时主内存和线程 t2 的工作内存中 flag 均为 false，但是线程 t1 工作内存中的 flag 还是 true，所以一直退不了循环，程序将一直执行。
synchronized 如何解决可见性
首先我们尝试在 t1 线程中加一行打印语句，看看效果。
代码：
public class Example1 {
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运行结果：
我们发现 if 里面的语句已经打印出来了，线程 1 已经感知到线程 2 对 flag 的修改，即这条打印语句已经影响了可见性。这是为啥?
答案就是 println 中，我们看下源码：
println 有个上锁的过程，即操作如下：
获取同步锁。
清空自己工作内存上的变量。
从主内存获取最新值，并加载到工作内存中。
打印并输出。
所以这里解释了为什么线程 t1 加了打印语句之后，t1 立刻能感知 t2 对 flag 的修改。因为每次打印的时候其都从主内存上获取了最新值，当 t2 修改的时候，t1 立刻从主内存获取了值，所以进入了 if 语句，并最终能跳出循环。
synchronized 的原理就是清空自己工作内存上的值，通过将主内存最新值刷新到工作内存中，让各个线程能互相感知修改。
原子性问题及解决
概念描述
在一次或多个操作中，要不所有操作都执行，要不所有操作都不执行。
代码展示
类：
public class Example2 {
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运行结果：
分析
每个线程执行的逻辑是循环 1 万次，每次加 1，那我们希望的结果是 2 万，但是实际上结果是不足 2 万的。我们先用 javap 命令反汇编，我们看到很多代码，但是 number++ 涉及的指令有四句，具体看第二张图。
如果有多条线程执行这段 number++ 代码，当前 number 为 0，线程 1 先执行到 iconst_1 指令，即将执行 iadd 操作，而线程 2 执行到 getstatic 指令，这个时候 number 值还没有改变，所以线程 2 获取到的静态字段是 0，线程 1 执行完 iadd 操作，number 变为 1，线程 2 执行完 iadd 操作，number 还是 1。这个时候就发现问题了，做了两次 number++ 操作，但是 number 只增加了 1。
并发编程时，会出现原子性问题，当一个线程对共享变量操作到一半的时候，另外一个线程也有可能来操作共享变量，这个时候就出现了问题。
synchronized 如何解决原子性问题
在上面的分析中，我们已经知道发生问题的原因，number++ 是由四条指令组成，没有保证原子操作。所以，我们只要将 number++ 作为一个整体就行，即保证他的原子性。具体代码如下：
public class Example2 {
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我们看到最终 number 为 20000，那为什么要加上 synchronized，结果就正确了？我们再反编译下 Example2，可以看到在四行指令前后分别有 monitorenter 和 monitorexist，线程 1 在执行中间指令时，其他线程不可以进入 monitorenter，需要等线程 1 执行完 monitorexist，其他进程才能继续 monitorenter，进行自增操作。
有序性问题及解决
概念描述
代码中程序执行的顺序，Java 在编译和运行时会对代码进行优化，这样会导致我们最终的执行顺序并不是我们编写代码的书写顺序。
代码展示
咱先来看一个概念,重排序，也就是语句的执行顺序会被重新安排。其主要分为三种：
编译器优化的重排序：可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序：现代处理器采用指令级并行技术，将多条指令重叠执行。
内存系统的重排序：由于处理器使用缓存和读写缓冲区，所以看上去可能是乱序的。
上面代码中的 a = new A(); 可能被被 JVM 分解成如下代码：
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一旦假设发生了这样的重排序，比如线程 A 在执行了步骤 1 和步骤 3，但是步骤 2 还没有执行完。这个时候线程 B 进入了第一个语句，它会判断 a 不为空，即直接返回了 a。其实这是一个未初始化完成的 a，即会出现问题。
synchronized 如何解决有序性问题
给上面的三个步骤加上一个 synchronized 关键字，即使发生重排序也不会出现问题。线程 A 在执行步骤 1 和步骤 3 时，线程 B 因为没法获取到锁，所以也不能进入第一个语句。只有线程 A 都执行完，释放锁，线程 B 才能重新获取锁，再执行相关操作。
synchronized 的常见使用方式
修饰代码块（同步代码块）
synchronized (object) {
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修饰方法
synchronized void test(){
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synchronized 不能继承？（插曲）
父类 A:
public class A {
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子类 B:(未重写 test 方法)
public class B extends A {
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子类 C:(重写 test 方法)
public class C extends A {
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线程 A:
public class ThreadA extends Thread {
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线程 B:
public class ThreadB extends Thread {
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线程 C:
public class ThreadC extends Thread{
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测试类 test:
public class test {
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运行结果：
子类 B 继承了父类 A, 但是没有重写 test 方法，ThreadB 仍然是同步的。子类 C 继承了父类 A，也重写了 test 方法，但是未明确写上 synchronized，所以这个方法并不是同步方法。只有显式的写上 synchronized 关键字，才是同步方法。
所以 synchronized 不能继承这句话有歧义，我们只要记住子类如果想要重写父类的同步方法，synchronized 关键字一定要显示写出，否则无效。
修饰静态方法
synchronized static void test(){
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修饰类
synchronized (Example2.class) {
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Java 对象 Mark Word
在 JVM 中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头，实例数据和对齐数据，如下图：
其中 Mark Word 值在不同锁状态下的展示如下：（重点看线程 id，是否为偏向锁，锁标志位信息）
在 64 位系统中，Mark Word 占了 8 个字节，类型指针占了 8 个字节，一共是16个字节。Talk is cheap. Show me the code. 咱来看代码。
- 我们想要看 Java 对象的 Mark Word，先要加载一个 jar 包，在 pom.xml 添加即可。
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- 新建一个对象 A，拥有初始值为 666 的变量 x。
public class A {
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- 新建一个测试类 test，这涉及到刚才加载的 jar，我们打印 Java 对象。
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
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- 我们发现对象头（object header）占了
12个字节，为啥和上面说的 16 个字节不一样。
- 其实上是默认开启了指针压缩，我们需要关闭指针压缩，也就是添加
-XX:-UseCompressedOops配置。
- 再次执行，发现对象头为 16 个字节。
偏向锁
什么是偏向锁
JDK1.6 之前锁为重量级锁（待会说，只要知道他和内核交互，消耗资源），1.6 之后 Java 设计人员发现很多情况下并不存在多个线程竞争的关系，所以为了资源问题引入了无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁的概念。先说偏向锁，他是偏心，偏袒的意思，这个锁会偏向于第一个获取他的线程。
偏向锁演示
- 创建并启动一个线程，run 方法里面用了 synchronized 关键字，功能是打印 this 的 Java 对象。
public class test {
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标红的地方为 000，根据之前 Mark Word 在不同状态下的标志，得此为无锁状态。理论上一个线程使用 synchronized 关键字，应为偏向锁。
- 实际上偏向锁在 JDK1.6 之后是默认开启的，但是启动时间有延迟，所以需要添加参数
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0，让其在程序启动时立刻启动。
- 重新运行下代码，发现标红地方 101，对比 Mark Word 在不同状态下的标志，得此状态为偏向锁。
偏向锁原理图解
- 在线程的 run 方法中，刚执行到 synchronized，会判断当前对象是否为偏向锁和锁标志，没有任何线程执行该对象，我们可以看到是否为偏向锁为 0，锁标志位 01，即无锁状态。
- 线程会将自己的 id 赋值给 markword，即将原来的 hashcode 值改为线程 id，是否是偏向锁改为 1，表示线程拥有对象锁，可以执行下面的业务逻辑。
如果 synchronized 执行完，对象还是偏向锁状态；如果线程结束之后，会撤销偏向锁，将该对象还原成无锁状态。
- 如果同一个线程中又对该对象进行加锁操作，我们只要对比
对象的线程 id是否与线程 id相同，如果相同即为线程锁重入问题。
优势
加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比只有纳秒级的差距。
白话翻译
线程 1 锁定对象 this，他发现对象为无锁状态，所以将线程 id 赋值给对象的 Mark Word 字段，表示对象为线程 1 专用，即使他退出了同步代码，其他线程也不能使用该对象。
同学 A 去自习教室 C，他发现教室无人，所以在门口写了个名字，表示当前教室有人在使用，这样即使他出去吃了饭，其他同学也不能使用这个房间。
轻量锁
什么是轻量级锁
在多线程交替同步代码块的情况下，线程间没有竞争，使用轻量级锁可以避免重量级锁引入的性能消耗。
轻量级图解
- 在刚才偏向锁的基础上，如果有另外一个线程也想错峰使用该资源，通过对比线程 id 是否相同，Java 内存会立刻撤销偏向锁（需要等待全局安全点），进行锁升级的操作。
- 撤销完轻量级锁，会在线程 1 的方法栈中新增一个锁记录，对象的 Mark Word 与锁记录交换。
优势
线程不竞争的时候，避免直接使用重量级锁，提高了程序的响应速度。
白话翻译
在刚才偏向锁的基础上，另外一个线程也想要获取资源，所以线程 1 需要撤销偏向锁，升级为轻量锁。
同学 A 在使用自习教室外面写了自己的名字，所以同学 B 来也想要使用自习教室，他需要提醒同学 A，不能使用偏向锁，同学 A 将自习教室门口的名字擦掉，换成了一个书包，里面是自己的书籍。这样在同学 A 不使用自习教室的时候，同学 B 也能使用自习教室，只需要将自己的书包也挂在外面即可。这样下次来使用的同学就能知道已经有人占用了该教室。
重量级锁
什么是重量级锁
当多线程之间发生竞争，Java 内存会申请一个 Monitor 对象来实现。
重量级锁原理图解
在刚才的轻量级锁的基础上，线程 2 也想要申请资源，发现锁的标志位为 00，即为轻量级锁，所以向内存申请一个 Monitor, 让对象的 MarkWord 指向 Monitor 地址，并将 ower 指针指向线程 1 的地址，线程 2 放在等待队列里面，等线程 1 指向完毕，释放锁资源。
Monitor 源码分析
环境搭建
我们去官网http://openjdk.java.net/找下 open 源码，也可以通过其他途径下载。源码是 C 实现的，可以通过 DEV C++ 工具打开，效果如下图：
构造函数
我们先看下\hotspot\src\share\vm\runtime\ObjectMonitor.hpp，以. hpp 结尾的文件是导入的一些包和一些声明，之后可以被. cpp 文件导入。
ObjectMonitor() {
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锁竞争的过程
我们先看下\hotspot\src\share\vm\interpreter\interpreterRuntime.cpp，IRT_ENTRY_NO_ASYNC即为锁竞争过程。
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slow_enter 实际上调用的 ObjectMonitor.cpp 的 enter 方法
void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
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白话翻译
同学 A 在使用自习教室的时候，同学 B 在同一时刻也想使用自习教室，那就发生了竞争关系。所以同学 B 在 A 运行过程中，加入等待队列。如果此时同学 C 也要使用该教室，也会加入等待队列。等同学 A 使用结束，同学 B 和 C 将竞争自习教室。
自旋优化
自旋优化比较简单，如果将其他线程加入等待队列，那之后唤醒并运行线程需要消耗资源，所以设计人员让其空转一会，看看线程能不能一会结束了，这样就不要在加入等待队列。
白话来说，如果同学 A 在使用自习教室，同学 B 可以回宿舍，等 A 使用结束再来，但是 B 回宿舍再来的过程需要 1 个小时，而 A 只要 10 分钟就结束了。所以 B 可以先不回宿舍，而是在门口等个 10 分钟，以防止来回时间的浪费。
结语
唉呀妈呀，终于结束了，累死了。终于将 synchronized 写完了，如果有不正确的地方，还需要各位指正。如果觉得写得还行，麻烦帮我点赞，评论哈。
参考资料
Java 中 System.out.println() 为何会影响内存可见性
发布于: 2020 年 06 月 05 日阅读数: 175
https://xie.infoq.cn/article/ae57ae101b6ecaf6bbeedcb42
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