Java并发编程之synchronized关键字解析

前言

公司加班太狠了，都没啥时间充电，这周终于结束了。这次整理了Java并发编程里面的synchronized关键字，又称为隐式锁，与JUC包中的Lock显示锁相对应；这个关键字从Java诞生开始就有，称之为重量级锁，自从JDK1.6之后官方对该关键字进行优化，引入了轻量级锁和偏向锁，于是就有了锁升级的概念。

使用

在代码中使用这个关键字总共有以下三种：

    private static Object object = new Object();private synchronized void function1() {//锁住当前实例对象}private static synchronized void function2() {//锁住当前class对象，可以认为是锁住当前Class文件}public static void main( String[] args ) {synchronized (object) {//锁住object对象}}

1：普通方法同步；

2：静态方法同步；

3：同步代码块括号中的对象；

使用synchronized关键字进行同步，则锁是储存于Java对象头里面的Mark Word。

Java对象头里面的Mark Word里面主要是存储对象的hashCode、分代年龄（用于判断为老年代还是年轻代，在垃圾回收器里面用得到）以及锁标记位。

锁的升级

在JDK1.6之后，引入了引入了偏向锁和轻量级锁的状态，目的是为了提升锁的释放和获取效率，减少性能的开销，所以synchronized就有四种级别锁的状态，级别从低到高分别是无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁以及重量级锁状态；四种状态实质上是对象头储存的锁标记位不一致，使用CAS更改对象头的标记位进行锁状态位；并且在记录锁的标记位的同时，也会在Mark Word里面记录锁线程的ID

无锁

既在对象头的Mark Word没有标记锁状态的时候就是无锁状态

偏向锁

单个线程进行访问或调用带synchronized的同步代码块或方法时，会在先判断对象头里面锁标志位是否有线程ID，如果没有线程ID的话，将当前线程ID写入进去，并且也会在栈帧中的锁记录里面进行记录。此时，锁的状态位为偏向锁，通俗来说可以说是只要单线程访问同步代码块，从无锁状态就会便成为偏向锁状态；如果在对象头里面存在线程ID的话，如果当前线程ID是与对象头里面记录的线程ID的话，那么就可以直接访问，不需要使用CAS去进行竞争锁了；不一致的话，那么就会使用CAS进行竞争锁。

当其他线程开始竞争偏向锁的时候，那么持有偏向锁的线程就去会释放偏向锁，供其他线程使用；这时候就出现一种偏向锁的撤销概念

偏向锁的撤销

偏向锁的撤销就是，会先暂停持有偏向锁的线程，然后去对象头里面判断记录线程ID的线程是否还在处于活动状态，如果处于非活动状态，那么就会将Mark Word里面的锁标志位设置为无锁状态；如果处于活动状态的话，会先遍历偏向对象的锁记录、栈里面锁记录以及对象头里面Mark Word里面的锁标记位，并且将对象头中锁标志位设置为无锁状态或者升级成轻量锁状态的，然后唤醒持有偏向锁的的线程，继续执行；

轻量级锁

加锁

当执行同步代码块升级为轻量级锁的时候，会在栈帧中创建一块用于储存锁记录的空间，并且将对象头里面Mark Word复制到记录中（Displaced Mark Word），线程开始会使用CAS将Mark Word替换为指向锁记录的指针，如果获取成功，那么当前线程获取锁，如果失败，采用自旋来获取锁，如果自旋获取锁失败，那么会膨胀为重量级锁。

解锁

轻量级锁解锁会使用CAS将Displaced Mark Word替换回到对象头中，如果成功了，表示没有锁竞争；如果失败了表示有锁在竞争，那么就会膨胀成重量级锁，那么在自旋的获取锁的线程就会进行线程阻塞；

由于自旋会大量消耗CPU资源，所以一旦升级成为了重量级锁之后，那么就不会进行降级了。

重量级锁

这个就是线程阻塞了，基本上可以和Lock表现一致了，一旦有线程获取锁，其他获取锁的线程将会阻塞，释放锁之后将会唤醒阻塞线程去竞争锁

锁	优点	缺点	使用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的资源消耗，性能快	如果线程之间存在锁竞争，那么会出现锁撤销，暂停线程，比较消耗资源	适用于单线程使用场景
轻量级锁	线程不会阻塞，提高响应程度	自旋消耗CPU性能，容易升级为重量级锁	适用于同步代码块执行非常快的
重量级锁	线程不会自旋，避免过多消耗CPU资源	线程阻塞，响应时间缓慢	提高吞吐量，同步代码块执行较长

等待/通知机制

这个之前是有篇讲过线程之间的共享协作：线程协作这个里面提到过如何使用

现在看看底层是如何运行的执行，我们先看一段代码

public class SynchronziedDemo {public static Object object = new Object();public static void main(String[] args) {synchronized (object) {}m();}public static synchronized void m() {}
}

将这段代码编译后使用javap -v命令进行反编译

会得到class文件的编译后的c代码:

同步代码块使用的事monitorenter（获取锁）和monitorexit（释放锁）指令，同步放上是使用ACC_SYNCRONIZED来完成的。

无论是哪个本质上其实是个monitor监视器进行完成的，每个对象都会有一个监视器，线程需先获取到monitor监视器才能访问同步代码块或者方法，而没有获取到的线程就会进入自旋，升级为重量级锁，然后会进入到阻塞状态，这时候会有一个同步队列(SynchronizedQueue)，阻塞的线程会加入到这个队列里面，等待获取到监视器的线程调用monitorexit指定后，会唤醒同步队列里面的等待线程。

等待/通知机制里面对了一个WaitQueue即等待队列，案例：


public class WaitNotify {public static Object object = new Object();public static void main(String[] args) {new Thread(new WaitClass()).start();new Thread(new NotifyClass()).start();}static class NotifyClass implements Runnable {@Overridepublic void run() {synchronized (object) {try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2L);System.out.println(Thread.currentThread() + "notify start...");object.notifyAll();System.out.println(Thread.currentThread() + "notify end...");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}static class WaitClass implements Runnable {@Overridepublic void run() {synchronized (object) {System.out.println(Thread.currentThread() + "wait start....");try {object.wait();System.out.println(Thread.currentThread() + "wait end....");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}
}

打印日志如下：