Synchronized同步锁多线程并发编程

Synchronized 介绍 Synchronized 是由JVM实现的一种内置锁，锁的获取和释放都是由JVM隐式实现。
Synchronized 是基于底层操作系统的 Mutex Lock 实现的，每次获取和释放锁操作都会带来用户态和内核态的切换，从而增加系统性能开销。
Synchronized 实现原理通常 Synchronized 实现同步锁的方式有两种，一种是修饰方法，一种是修饰方法块。以下就是通过 Synchronized 实现的两种同步方法加锁的方式：

// 关键字在实例方法上，锁为当前实例 public synchronized void method1() { // code }// 关键字在代码块上，锁为括号里面的对象 public void method2() { Object o = new Object(); synchronized (o) { // code } }

通过反编译可以看到具体字节码的实现，运行以下反编译命令，就可以输出我们想要的字节码：

javac -encoding UTF-8 SyncTest.java//先运行编译class文件命令

javap -v SyncTest.class //再通过javap打印出字节文件

通过输出的字节码，你会发现：Synchronized 在修饰同步代码块时，是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的。进入 monitorenter 指令后，线程将持有 Monitor 对象，退出 monitorenter 指令后，线程将释放该 Monitor 对象。

public void method2(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=2, locals=4, args_size=1 0: new#2 3: dup 4: invokespecial #1 7: astore_1 8: aload_1 9: dup 10: astore_2 11: monitorenter //monitorenter 指令 12: aload_2 13: monitorexit//monitorexit指令 14: goto22 17: astore_3 18: aload_2 19: monitorexit 20: aload_3 21: athrow 22: return Exception table: fromtotarget type 121417any 172017any LineNumberTable: line 18: 0 line 19: 8 line 21: 12 line 22: 22 StackMapTable: number_of_entries = 2 frame_type = 255 /* full_frame */ offset_delta = 17 locals = [ class com/demo/io/SyncTest, class java/lang/Object, class java/lang/Object ] stack = [ class java/lang/Throwable ] frame_type = 250 /* chop */ offset_delta = 4

再来看以下同步方法的字节码，你会发现：当 Synchronized 修饰同步方法时，并没有发现 monitorenter 和 monitorexit 指令，而是出现了一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志。这是因为 JVM 使用了 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来区分一个方法是否是同步方法。
当方法调用时，调用指令将会检查该方法是否被设置 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志。如果设置了该标志，执行线程将先持有 Monitor 对象，然后再执行方法。在该方法运行期间，其它线程将无法获取到该 Mointor 对象，当方法执行完成后，再释放该 Monitor 对象。

public synchronized void method1(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED // ACC_SYNCHRONIZED 标志 Code: stack=0, locals=1, args_size=1 0: return LineNumberTable: line 8: 0

通过以上的源码，我们再来看看 Synchronized 修饰方法是怎么实现锁原理的。JVM 中的同步是基于进入和退出管程（Monitor）对象实现的。每个对象实例都会有一个 Monitor，Monitor 可以和对象一起创建、销毁。Monitor 是由 ObjectMonitor 实现，而 ObjectMonitor 是由 C++ 的 ObjectMonitor.hpp 文件实现，如下：

ObjectMonitor() { _header = NULL; _count = 0; //记录个数 _waiters = 0, _recursions = 0; _object = NULL; _owner = NULL; _WaitSet = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet _WaitSetLock = 0 ; _Responsible = NULL ; _succ = NULL ; _cxq = NULL ; FreeNext = NULL ; _EntryList = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表 _SpinFreq = 0 ; _SpinClock = 0 ; OwnerIsThread = 0 ; }

当多个线程同时访问一段同步代码时，多个线程会先被存放在 ContentionList 和 _EntryList 集合中，处于 block 状态的线程，都会被加入到_EntryList列表。接下来当线程获取到对象的 Monitor 时，Monitor 是依靠底层操作系统的 Mutex Lock 来实现互斥的，线程申请 Mutex 成功，则持有该 Mutex，其它线程将无法获取到该 Mutex，竞争失败的线程会再次进入 ContentionList 被挂起。

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Synchronized的优化为了提升性能，JDK1.6 引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁概念，来减少锁竞争带来的用户态和内核态的切换开销，而正是新增的 Java 对象头实现了锁升级功能。
Java 对象头
在 JDK1.6 JVM 中，对象实例在堆内存中被分为了三个部分：对象头、实例数据和对齐填充。其中 Java 对象头由 Mark Word、指向类的指针以及数组长度三部分组成。
Mark Word 记录了对象和锁有关的信息。Mark Word 在 64 位 JVM 中的长度是 64bit，我们可以一起看下 64 位 JVM 的存储结构是怎么样的。如下图所示：

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Synchronized锁升级步骤：

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动态编译实现锁消除 / 锁粗化
除了锁升级优化，Java 还使用了编译器对锁进行优化。JIT 编译器在动态编译同步块的时候，借助了一种被称为逃逸分析的技术，来判断同步块使用的锁对象是否只能够被一个线程访问，而没有被发布到其它线程。
确认是的话，那么 JIT 编译器在编译这个同步块的时候不会生成 synchronized 所表示的锁的申请与释放的机器码，即消除了锁的使用。在 Java7 之后的版本就不需要手动配置了，该操作可以自动实现。
锁粗化同理，就是在 JIT 编译器动态编译时，如果发现几个相邻的同步块使用的是同一个锁实例，那么 JIT 编译器将会把这几个同步块合并为一个大的同步块，从而避免一个线程“反复申请、释放同一个锁”所带来的性能开销。
减小锁粒度
【Synchronized同步锁】除了锁内部优化和编译器优化之外，我们还可以通过代码层来实现锁优化，减小锁粒度就是一种惯用的方法。
当我们的锁对象是一个数组或队列时，集中竞争一个对象的话会非常激烈，锁也会升级为重量级锁。我们可以考虑将一个数组和队列对象拆成多个小对象，来降低锁竞争，提升并行度。
最经典的减小锁粒度的案例就是 JDK1.8 之前实现的 ConcurrentHashMap 版本。我们知道，HashTable 是基于一个数组 + 链表实现的，所以在并发读写操作集合时，存在激烈的锁资源竞争，也因此性能会存在瓶颈。而 ConcurrentHashMap 就很很巧妙地使用了分段锁 Segment 来降低锁资源竞争，如下图所示：

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总结 JVM 在 JDK1.6 中引入了分级锁机制来优化 Synchronized，当一个线程获取锁时，首先对象锁将成为一个偏向锁，这样做是为了优化同一线程重复获取导致的用户态与内核态的切换问题；其次如果有多个线程竞争锁资源，锁将会升级为轻量级锁，轻量级锁适用于线程交替执行同步块的场景，绝大部分的锁在整个同步周期内都不存在长时间的竞争；轻量级锁还使用了自旋锁来避免线程用户态与内核态的频繁切换，大大地提高了系统性能；但如果锁竞争太激烈了，那么同步锁将会升级为重量级锁。
减少锁竞争，是优化 Synchronized 同步锁的关键。我们应该尽量使 Synchronized 同步锁处于轻量级锁或偏向锁，这样才能提高 Synchronized 同步锁的性能；
通过减小锁粒度来降低锁竞争也是一种最常用的优化方法；另外我们还可以通过减少锁的持有时间来提高 Synchronized 同步锁在自旋时获取锁资源的成功率，避免 Synchronized 同步锁升级为重量级锁。