大家好，我是小黑铃肯，一個在互聯(lián)網(wǎng)茍且偷生的農(nóng)民工患亿。

之前的文章中跟大家分享了關(guān)于Java中線程的一些概念和基本的使用方法，比如如何在Java中啟動一個線程押逼，生產(chǎn)者消費者模式等步藕，以及如果要保證并發(fā)情況下多線程共享數(shù)據(jù)的訪問安全，操作的原子性宴胧，使用到了synchronized關(guān)鍵字漱抓。今天主要和大家聊一聊synchronized關(guān)鍵字的用法和底層的原理。

為什么要用synchronized

相信大家對于這個問題一定都有自己的答案恕齐，這里我還是要啰嗦一下乞娄，我們來看下面這段車站售票的代碼：

/**
 * 車站開兩個窗口同時售票
 */
public class TicketDemo {

    public static void main(String[] args) {
        TrainStation station = new TrainStation();
        // 開啟兩個線程同時進行售票
        new Thread(station, "A").start();
        new Thread(station, "B").start();
    }
}

class TrainStation implements Runnable {
    private volatile int ticket = 10;
    @Override
    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "售出" + ticket + "號票");
            ticket = ticket - 1;
        }
    }
}

上面這段代碼是沒有做考慮線程安全問題的，執(zhí)行這段代碼可能會出現(xiàn)下面的運行結(jié)果：

售票運行結(jié)果.png

可以看出显歧，兩個線程都買出了10號票仪或，這在實際業(yè)務(wù)場景中是絕對不能出現(xiàn)的。（你去坐火車有個大哥說你占了他的座士骤，讓你滾范删，還說你是票販子，你氣不氣）

那因為有這種問題的存在拷肌，我們應(yīng)該怎么解決呢到旦？synchronized就是為了解決這種多線程共享數(shù)據(jù)安全問題的旨巷。

使用方式

synchronized的使用方式主要以下三種。

同步代碼塊

public static void main(String[] args) {
    String str = "hello world";
    synchronized (str) {
        System.out.println(str);
    }
}

同步實例方法

class TrainStation implements Runnable {
    private volatile int ticket = 100;

    // 關(guān)鍵字直接寫在實例方法簽名上
    public synchronized void sale() { 
        while (ticket > 0) {
            System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "售出" + ticket + "號票");
            ticket = ticket - 1;
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        sale();
    }
}

同步靜態(tài)方法

class TrainStation implements Runnable {
    // 注意這里ticket變量聲明為static的添忘，因為靜態(tài)方法只能訪問靜態(tài)變量
    private volatile static int ticket = 100;

    // 也可以直接放在靜態(tài)方法的簽名上
    public static synchronized void sale() {
        while (ticket > 0) {
            System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "售出" + ticket + "號票");
            ticket = ticket - 1;
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        sale();
    }
}

字節(jié)碼語義

通過程序運行采呐，我們發(fā)現(xiàn)通過synchronized關(guān)鍵字確實可以保證線程安全，那計算機到底是怎么保證的呢搁骑？這個關(guān)鍵字背后到底做了些什么斧吐？我們可以看一下java代碼編譯后的class文件。首先來看同步代碼塊編譯后的class仲器。通過javap -v 名稱可以查看字節(jié)碼文件：

 public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String hello world
         2: astore_1
         3: aload_1
         4: dup
         5: astore_2
         6: monitorenter            // 監(jiān)視器進入
         7: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        10: aload_1
        11: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        14: aload_2
        15: monitorexit             // 監(jiān)視器退出
        16: goto          24
        19: astore_3
        20: aload_2
        21: monitorexit
        22: aload_3
        23: athrow
        24: return

注意看第6行和第15行煤率，這兩個指令是增加synchronized代碼塊之后才會出現(xiàn)的，monitor是一個對象的監(jiān)視器乏冀，monitorenter代表這段指令的執(zhí)行要先拿到對象的監(jiān)視器之后蝶糯，才能接著往下執(zhí)行，而monitorexit代表執(zhí)行完synchronized代碼塊之后要從對象監(jiān)視器中退出煤辨，也就是要釋放裳涛。所以這個對象監(jiān)視器也就是我們所說的鎖，獲取鎖就是獲取這個對象監(jiān)視器的所有權(quán)众辨。

接下來我們在看看synchronized修飾實例方法時的字節(jié)碼文件是什么樣的端三。

 public synchronized void sale();
    descriptor: ()V
    //方法標識ACC_PUBLIC代表public修飾，ACC_SYNCHRONIZED指明該方法為同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED 
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field ticket:I
    // 省略其他無關(guān)字節(jié)碼

可以看到synchronized修飾實例方法上之后不會再有monitorenter和monitorexit指令鹃彻，而是直接在這個方法上增加一個ACC_SYNCHRONIZED的flag郊闯。當程序在運行時，調(diào)用sale()方法時蛛株，會檢查該方法是否有ACC_SYNCHRONIZED訪問標識团赁，如果有，則表明該方法是同步方法谨履，這時候還行線程會先嘗試去獲取該方法對應(yīng)的監(jiān)視器（monitor）對象欢摄，如果獲取成功，則繼續(xù)執(zhí)行該sale()方法笋粟，在執(zhí)行期間怀挠，任何其他線程都不能再獲取該方法監(jiān)視器的使用權(quán)，知道該方法執(zhí)行完畢或者拋出異常害捕，才會釋放绿淋，其他線程可以重新獲得該監(jiān)視器。

那么synchronized修飾靜態(tài)方法的字節(jié)碼文件是什么樣呢尝盼？

public static synchronized void sale();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #2                  // Field ticket:I
      // 省略其他無關(guān)字節(jié)碼

可以看出synchronized修飾靜態(tài)方法和實例方法沒有區(qū)別吞滞，都是增加一個ACC_SYNCHRONIZED的flag，靜態(tài)方法只是比實例方法多一個ACC_STATIC標識代表這個方法是靜態(tài)的盾沫。

以上的同步代碼塊裁赠，同步方法中都提到對象監(jiān)視器這個概念殿漠，那么三種同步方式使用的對象監(jiān)視器具體是哪個對象呢？

同步代碼塊的對象監(jiān)視器就是使用的我們synchronized(str)中的str,也就是我們括號中指定的對象佩捞。而我們在開發(fā)中增加同步代碼塊的目的是為了多個線程同一時間只能有一個線程持有監(jiān)視器凸舵，所以這個對象的指定一定要是多個線程共享的對象，不能直接在括號中new一個對象失尖，這樣不能做到互斥，也就不能保證安全渐苏。

同步實例方法的對象監(jiān)視器是當前這個實例掀潮，也就是this。

同步靜態(tài)方法的對象監(jiān)視器是當前這個靜態(tài)方法所在類的Class對象琼富，我們都知道Java中每個類在運行過程中也會用一個對象表示仪吧，就是這個類的對象，每個類有且僅有一個鞠眉。

對象鎖（monitor）

上面說了線程要進入同步代碼塊需要先獲取到對象監(jiān)視器薯鼠，也就是對象鎖，那在開始說之前我們先來了解下在Java中一個對象都由哪些東西組成械蹋。

這里先問大家一個問題出皇，Object obj = new Object()這段代碼在JVM中是怎樣的一個內(nèi)存分布？

想必了解過JVM知識的同學(xué)應(yīng)該都知道哗戈，new Object()會在堆內(nèi)存中創(chuàng)建一個對象郊艘，Object obj是棧內(nèi)存中的一個引用，這個引用指向堆中的對象唯咬。那么怎么知道堆內(nèi)存中的對象到底由哪些內(nèi)容組成呢纱注？這里給大家介紹一個工具叫JOL(Java Object Layout)Java對象布局〉ㄒ龋可以通過maven在項目中直接引入狞贱。

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

引入之后在代碼中可以打印出對象的內(nèi)存分布。

public static void main(String[] args) {
    Object obj = new Object();
    // parseInstance將對象解析蜀涨，toPrintable讓解析后的結(jié)果可輸出
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}

輸出后的結(jié)果如下：

java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

從結(jié)果上可以看出瞎嬉，這個obj對象主要分4部分，每部分的SIZE=4代表4個字節(jié)勉盅，前三行是對象頭object header佑颇，最后一行的4個字節(jié)是為了保證一個對象的大小能是8的整數(shù)倍。

對象內(nèi)存分布.png

我們再來看看對于一個加了鎖的對象草娜，打印出來有什么不一樣挑胸？

public static void main(String[] args) {
    Object obj = new Object();
    synchronized (obj){
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }
}

java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           58 f7 19 01 (01011000 11110111 00011001 00000001) (18478936)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

可以很明顯的看到，最前面的8個字節(jié)發(fā)生了變化宰闰，也就是Mark Word變了茬贵。所以給對象加鎖簿透，實際就是改變對象的Mark Word。

Mark Word中的這8個字節(jié)具有不同的含義解藻，為了讓這64個bit能表示更多信息老充，JVM將最后2位設(shè)置為標記位，不同標記位下的Mark word含義如下：

|------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                                  Mark Word (64 bits)                         |       State        |
|------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       無鎖態(tài)        |
|------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54 |       epoch:2        | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       偏向鎖        |
|------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                       ptr_to_lock_record:62                         | lock:2 |      輕量級鎖        |
|------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                     ptr_to_heavyweight_monitor:62                   | lock:2 |      重量級鎖        |
|------------------------------------------------------------------------------|--------------------|
|                                                                     | lock:2 |       GC標記        |
|------------------------------------------------------------------------------|--------------------|

其中最后兩位的鎖標記位螟左，不同值代表不同含義啡浊。

biased_lock標記該對象是否啟用偏向鎖，1代表啟用偏向鎖胶背，0代表未啟用巷嚣。

age：4位的Java對象年齡。在GC中钳吟，如果對象在Survivor區(qū)復(fù)制一次廷粒，年齡增加1。當對象達到設(shè)定的閾值時红且，將會晉升到老年代坝茎。默認情況下，并行GC的年齡閾值為15暇番，并發(fā)GC的年齡閾值為6嗤放。由于age只有4位，所以最大值為15奔誓，這就是-XX:MaxTenuringThreshold選項最大值為15的原因斤吐。

identity_hashcode：25位的對象標識Hash碼，采用延遲加載技術(shù)厨喂。調(diào)用方法System.identityHashCode()計算和措，并會將結(jié)果寫到該對象頭中。當對象被鎖定時蜕煌，該值會移動到管程Monitor中派阱。

thread：持有偏向鎖的線程ID。

epoch：偏向時間戳斜纪。

ptr_to_lock_record：指向棧中鎖記錄的指針贫母。

ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指針。

鎖升級過程

既然會有無鎖盒刚，偏向鎖腺劣，輕量級鎖，重量級鎖因块，那么這些鎖是怎么樣一個升級過程呢橘原，我們來看一下。

新建

從前面講到對象頭的結(jié)構(gòu)和我們上面打印出來的對象內(nèi)存分布，可以看出新創(chuàng)建的一個對象趾断，它的標記位是00拒名，偏向鎖標記(biased_lock)也是0，表示該對象是無鎖態(tài)芋酌。

偏向鎖

偏向鎖是指當一段同步代碼被同一個線程所訪問時增显，不存在其他線程的競爭時，那么該線程在以后訪問時便會自動獲得鎖脐帝，從而降低獲取鎖帶來的消耗同云，提高性能。

當一個線程訪問同步代碼塊并獲取鎖時堵腹，會在 Mark Word 里存儲線程 ID梢杭。在線程進入和退出同步塊時不再通過 CAS 操作來加鎖和解鎖，而是檢測 Mark Word 里是否存儲著指向當前線程的偏向鎖秸滴。輕量級鎖的獲取及釋放依賴多次 CAS 原子指令，而偏向鎖只需要在置換 ThreadID 的時候依賴一次 CAS 原子指令即可募判。

輕量級鎖

輕量級鎖是指當鎖是偏向鎖的時候荡含，有其他線程來競爭，但是該鎖正在被其他線程訪問届垫，那么就會升級為輕量級鎖释液。或者還有一種情況就是關(guān)閉JVM的偏向鎖開關(guān)装处，那么一開始鎖對象就會被標記位輕量級鎖误债。

輕量級鎖考慮的是競爭鎖對象的線程不多，而且線程持有鎖的時間也不長的情景妄迁。因為阻塞線程需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)寝蹈，代價較大，如果剛剛阻塞不久這個鎖就被釋放了登淘，那這個代價就有點得不償失了箫老，因此這個時候就干脆不阻塞這個線程，讓它自旋這等待鎖釋放黔州。

在進入同步代碼時耍鬓，如果對象鎖狀態(tài)符合升級輕量級鎖的條件，虛擬機會在當前想要競爭鎖的線程的棧幀中開辟一個Lock Record空間流妻，并將鎖對象的Mark Word拷貝到Lock Record空間中牲蜀。

然后虛擬機會使用CAS操作嘗試將對象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，并將Lock Record中的owner指針指向?qū)ο蟮腗ark Word绅这。

如果操作成功涣达，則表示當前線程獲得鎖，如果失敗則表示其他線程持有該鎖，當前線程會嘗試使用自旋的方式來重新獲取峭判。

輕量級鎖解鎖時开缎，會使用CAS操作將Lock Record替換回到對象頭，如果成功林螃，則表示沒有競爭發(fā)生奕删。如果失敗，表示當前鎖存在競爭疗认，鎖就會膨脹成重量級鎖完残。

重量級鎖

重量級鎖是指當有一個線程獲取鎖之后，其余所有等待獲取該鎖的線程都會處于阻塞狀態(tài)横漏。是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex實現(xiàn)谨设，Mutex也叫互斥鎖。也就是說重量級鎖會讓鎖從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)缎浇，將線程的調(diào)度交給操作系統(tǒng)扎拣，性能相比會很低。

整個鎖升級的過程通過下面這張圖能更全面的展示素跺。

鎖升級.png

有需要原圖的朋友二蓝，關(guān)注回復(fù)“鎖升級”獲取。

好的指厌，今天的內(nèi)容就到這里刊愚，我們下期再見。