并发编程系列之Synchronized实现原理

1、了解synchronized字节码

下面给出一个简单例子，synchronized关键字加在两个方法上，另外一个加在方法里

public class SynchroinzedDemo {
    static int a;
    public static synchronized void add1(int b){
        a += b;
    }
    public synchronized void add2(int b){
        a += b;
    }
    public void add3(int b){
        synchronized (this){
            a += b;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
    }
}

先用使用javac编译为class文件，或者在IDE直接运行就行，找到对应class文件，使用如下命令：

javap -verbose SynchroinzedDemo.class > log.txt

找到log.txt文件，对比两个加了synchronized关键字的方法，都有ACC_SYNCHRONIZED这个标识

public static synchronized void add1(int);
    descriptor: (I)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field a:I
         3: iload_0
         4: iadd
         5: putstatic     #2                  // Field a:I
         8: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0     b   I
  public synchronized void add2(int);
    descriptor: (I)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=2
         0: getstatic     #2                  // Field a:I
         3: iload_1
         4: iadd
         5: putstatic     #2                  // Field a:I
         8: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0
        line 11: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  this   Lcom/example/concurrent/sync/SynchroinzedDemo;
            0       9     1     b   I

找到比较关键的monitorenter和monitorexit关键字，monitorenter和monitorexit关键字是什么？后面再介绍

public void add3(int);
    descriptor: (I)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=2
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_2
         3: monitorenter
         4: getstatic     #2                  // Field a:I
         7: iload_1
         8: iadd
         9: putstatic     #2                  // Field a:I
        12: aload_2
        13: monitorexit
        14: goto          22
        17: astore_3
        18: aload_2
        19: monitorexit
        20: aload_3
        21: athrow
        22: return
      Exception table:
         from    to  target type
             4    14    17   any
            17    20    17   any
      LineNumberTable:
        line 14: 0
        line 15: 4
        line 16: 12
        line 17: 22
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      23     0  this   Lcom/example/concurrent/sync/SynchroinzedDemo;
            0      23     1     b   I
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 17
          locals = [ class com/example/concurrent/sync/SynchroinzedDemo, int, class java/lang/Object ]
          stack = [ class java/lang/Throwable ]
        frame_type = 250 /* chop */
          offset_delta = 4

综上：

方法上加synchronized，是在ACC_SYNCHRONIZED关键字
方法里加synchronized(obj)，对应字节码是monitorenter、monitorexit

2、Monitor是什么？

前面的javap编译，我们知道了monitorenter和monitorexit，synchronized重量级锁实现依赖于Monitor，所以需要介绍一下说明是Monitor，翻译过来是监视器？我们知道synchronized锁的作用和ReentrantLock的作用是一致的，所以synchronized实现同步的原理是否应该一样？实现上应该也要有互斥量，有等待队列，有重入计数。

前面的学习，我们知道synchronized锁的实现依赖于jvm，要实现锁就要有互斥量，jvm实现锁的方式是什么？
jvm也是程序，因为作为java程序和操作系统的中间件，所以可以直接使用操作系统提供的线程同步原语：mutex互斥量和semaphore信号量，当然也可以使用CAS锁

而jvm使用的Monitor又是什么？和jvm以及操作系统底层的线程同步原语又有什么关系？
Monitor，翻译过来可以说是官程，或者说是监视器
在使用操作系统底层的线程同步原语，需要程序员非常小心地控制mutex的down和up操作，否则很容易引起死锁等问题。为了更容易写出正确程序，所以在mutex和semaphore的基础上，提出了更高层次的同步原语monitor，当然monitor并不是操作系统提供的，而是由编译器，比如java的jvm自己去实现的，所以要使用monitor要确定编程语言是否支持，比如c语言就不支持，java语言支持，因为jvm已经实现了，所以说synchronized是jvm层面的锁

jvm如何实现monitor的？可以去github下载openJdk的源码，路径：

openjdk\hotspot\src\share\vm\runtime\objectMonitor.hpp
penjdk\hotspot\src\share\vm\runtime\objectMonitor.cpp

主要类是ObjectMonitor.cpp，看了源码实现：

//
// The ObjectMonitor class is used to implement JavaMonitors which have
// transformed from the lightweight structure of the thread stack to a
// heavy weight lock due to contention
// objectMonitor用于实现javaMonitor，javaMonitor是由于线程争用而从线程堆栈的轻量级结构转换为的重量级锁
// It is also used as RawMonitor by the JVMTI

// initialize the monitor, exception the semaphore, all other fields
 // are simple integers or pointers
 ObjectMonitor() {
  _header    = NULL;
  _count     = 0;
  _waiters    = 0, // 等待中的线程数
  _recursions  = 0;  //线程重入次数
  _object    = NULL; // 存储该monitor的对象
  _owner     = NULL; //拥有该monitor的线程
  _WaitSet    = NULL; //等待线程组成的双向循环链表，_WaitSet 指向第一个节点
  _WaitSetLock  = 0 ;
  _Responsible  = NULL ;
  _succ     = NULL ;
  _cxq      = NULL ;  //多线程竞争锁进入时的单向链表
  FreeNext    = NULL ;
  _EntryList   = NULL ;  //_owner从该双向循环链表中唤醒线程结点，_EntryList是第一个节点
  _SpinFreq   = 0 ;
  _SpinClock   = 0 ;
  OwnerIsThread = 0 ;
  _previous_owner_tid = 0; // 前一个拥有此监视器的线程ID
}

主要方法：

bool    try_enter (TRAPS) ;
 // 重量级锁入口方法
 void    enter(TRAPS);
 // monitor 释放
 void    exit(bool not_suspended, TRAPS);
 // 等待方法
 void    wait(jlong millis, bool interruptable, TRAPS);
 // 唤醒方法
 void    notify(TRAPS);
 void    notifyAll(TRAPS);

synchronized锁队列协作流程比较复杂，所以源码的本博客就不详细描述，读者可以参考博客synchronized实现原理小米信息部技术团队，里面有对源码做一个比较清晰的分析

3、锁的优化方法

在jdk6中，java虚拟机团队对锁进行了重要的改进，为了优化其性能主要引入了偏向锁、轻量级锁、自旋锁、自适应自旋、锁消除、锁粗化等实现。

3.1、锁的粗化

为了保证多线程的有效并发，会要求每个线程持有锁的尽可能短，大部分情况，上面原则是正确的，但是在实际程序运行过程，可能会有一系列操作对一个对象反复加锁和解锁，或者加锁放在循环体中，这种情况会带来不必要的性能问题，所以jvm会对这种情况进行锁的粗化处理。锁粗化就是将锁的作用范围限制得尽可能小，只在共享数据的作用域中才进行同步加锁。

public void doSomething(int size){
        for(int i=0;i<size;i++){
            synchronized(lock){
            	// do something
            }
        }
    // 锁粗化为，jvm可能会对程序优化，改变synchronized同步锁的作用范围
        synchronized(lock){
            for(int i=0;i<size;i++){
            }
        }
    }

3.2、锁的消除

通过逃逸分析发现其实没有别的线程产生竞争的可能，别的线程没有临界量的引用，虚拟机会直接去掉这个锁

StringBuffer是线程安全的，因为这个类使用了很多synchronized锁，append方法也是

@Override
    public synchronized StringBuffer append(Object obj) {
        toStringCache = null;
        super.append(String.valueOf(obj));
        return this;
    }

例子，所以给一个例子，使用append这个方法，不过只是单独在main里同步调用，因为sBuf变量是本地变量，append方法是同步操作，不会存在竞争（不会逃逸），所以这个程序运行过程jvm可能会进行锁消除，忽略Stringbuffer里的synchronized锁

public static String getStr(String str1, String str2) {
        StringBuffer sBuf = new StringBuffer();
        sBuf.append(str1);
        sBuf.append(str2);
        return sBuf.toString();
 }

3.3、偏向锁

jdk6引入了偏向锁来优化无线程争用时性能，偏向也即偏向获得它的线程，无锁化执行。

当一个线程获取到锁后，这把锁就是偏向锁。偏向锁是在对象头中记录一个线程ID，当这个线程再次去获取锁时，会校验是否这个线程，如果是直接获取锁就可以。

偏向锁可以提高带有同步但是无线程争用的程序性能，带有效益权衡性质的优化方法。也就是开启偏向锁并不一定都是有利的，如果程序总是存在多个线程竞争的情况，使用偏向锁反而影响性能，可以使用命令关闭偏向锁

-XX:-UseBiasedLocking

3.4、轻量级锁

jdk1.6引进了轻量级锁，轻量级锁是相对于重量级锁使用monitor而言的，前面学习，我们知道monitor是基于操作系统底层的线程同步原语。引进轻量级锁并不是为了替换重量级锁，而是为了在没有多线程竞争的前提下，使用轻量级锁，减少重量级锁使用操作系统底层互斥量带来的性能损耗。

所以轻量级锁适应条件是同一时间线程争用不严重的情况。“对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的”，这是一个经验，如果满足，使用轻量级锁当然可以带来性能提升，如果存在竞争，则可能比重量级锁更慢。思考：轻量级锁使用什么来做互斥量？

答案是cas锁，轻量级锁使用对象头中的mark work来做互斥判断

以上是java对象处于5种不同状态时，Mark Work中64个位的表现形式，每一行表示对象处于某种状态时的样子。其中各部分参数的意义：

lock：2位的锁状态标记位，该标志位的值表示不同的锁状态，比如01表示正常无锁状态或者偏向锁状态，00表示轻量级锁状态，10表示重量级锁状态。
biased_lock：biased_lock为1时表示启动偏向锁，为0时表示对象没有启用偏向锁，biased_lock和lock配合表示的意义

biased_lock	lock	状态
0	01	无锁
1	01	偏向锁

age：表示对象的年龄。在jvm的gc中，对象在survivor区复制一次，年龄加1.jvm可以设置一个阈值，默认是15，对象年龄达到15后会进入老年代，可以通过命令-XX:MaxTenuringThreshold进行设置
identity_hashcode：31位的对象标识hashCode，采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。当对象加锁后（偏向、轻量级、重量级），MarkWord的字节没有足够的空间保存hashCode，因此该值会移动到管程Monitor中。
thread：持有偏向锁的线程ID
epoch：偏向锁的时间戳。
ptr_to_lock_record：轻量级锁状态下，指向栈中锁记录的指针。
ptr_to_heavyweight_monitor：重量级锁状态下，指向对象监视器Monitor的指针。

轻量级锁的使用过程：

CAS锁修改mark word的lock标识为00，成功就获得锁，失败就是有竞争，自旋，自旋获取不到，转为重量级锁
抢到轻量级锁后将mark word保存到执行栈上，释放时CAS还原到对象头上，能还原成功，意味着没线程争用，还原不成功，则表示有线程竞争且阻塞等待了，唤醒等待线程，将mark word 复制给它。

3.5、自旋锁和自适应自旋

自旋是一种获取锁的机制，并不是锁的状态。如果业务场景比较简单，可以比较快完成，同时又有多个处理器的情况，则抢不到锁的线程是可以通过循环自旋的方式去获取锁。jdk1.4.2引入，默认关闭，jdk1.6改为默认开启，开关参数：

-XX:+UseSpinning

优缺点：如果锁占用时间很短，自旋等待的效果是不错的，反之会耗费处理器资源。同时自旋对处理器数量也有要求，必须要有多个处理器。

自适应自旋：jdk1.6引入了自适应自旋，意味着自旋时间不再固定，而是由前一次在同个锁上的自旋时间及锁的持有者状态来决定的。如果在同一个锁对象上，自旋等待获得锁，并且持有锁的线程正在运行，那么虚拟机就会认为这次自旋是成功的，进而它允许自旋等待更长的时间。如果很少成功获取锁，那在以后去抢锁时可能省略自旋的过程。有了自适应自旋，虚拟机对锁的状况预测会越来越准确。

4、锁的升级过程

锁的升级过程：无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁

偏向锁：当一个线程获取到锁后，这把锁就是偏向锁，偏向锁是在锁对象的对象头中记录一个线程id,然后该线程再次获取锁时，直接获取就可以
轻量级锁：如果有第二个线程来竞争锁，这时就会升级为轻量级锁，轻量级锁是不会阻塞线程的，其底层是通过自旋实现的。自旋是通过CAS获取一个预期的标识，如果没获取到，就会一直循环获取，获取到标识，也就标识获取到锁
重量级锁：如果轻量级锁一直自旋也获取不到锁，才会升级为重量级锁，重量锁是会阻塞线程的，也称之为重锁

5、参考资料

synchronized实现原理 | 小米信息部技术团队
《深入理解Java虚拟机》
https://www.cs.princeton.edu/picasso/mats/HotspotOverview.pdf
https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/Synchronization