JVM-Java虚拟机是怎么实现synchronized的？

1. JVM的锁优化

　　今天我介绍了 Java 虚拟机中 synchronized 关键字的实现，按照代价由高至低可分为重量级锁、轻量级锁和偏向锁三种。

　　重量级锁会阻塞、唤醒请求加锁的线程。它针对的是多个线程同时竞争同一把锁的情况。Java 虚拟机采取了自适应自旋，来避免线程在面对非常小的 synchronized 代码块时，仍会被阻塞、唤醒的情况。

　　轻量级锁采用 CAS 操作，将锁对象的标记字段替换为一个指针，指向当前线程栈上的一块空间，存储着锁对象原本的标记字段。它针对的是多个线程在不同时间段申请同一把锁的情况。

　　偏向锁只会在第一次请求时采用 CAS 操作，在锁对象的标记字段中记录下当前线程的地址。在之后的运行过程中，持有该偏向锁的线程的加锁操作将直接返回。它针对的是锁仅会被同一线程持有的情况。

　　

java偏向锁，轻量级锁与重量级锁为什么会相互膨胀? 

首先简单说下先偏向锁、轻量级锁、重量级锁三者各自的应用场景：

• 偏向锁：只有一个线程进入临界区；
• 轻量级锁：多个线程交替进入临界区；
• 重量级锁：多个线程同时进入临界区。

还要明确的是，偏向锁、轻量级锁都是JVM引入的锁优化手段，目的是降低线程同步的开销。比如以下的同步代码块：

synchronized (lockObject) {
    // do something
}

上述同步代码块中存在一个临界区，假设当前存在Thread#1和Thread#2这两个用户线程，分三种情况来讨论：

• 情况一：只有Thread#1会进入临界区；
• 情况二：Thread#1和Thread#2交替进入临界区；
• 情况三：Thread#1和Thread#2同时进入临界区。

偏向所锁，轻量级锁都是乐观锁，重量级锁是悲观锁。
　　一个对象刚开始实例化的时候，没有任何线程来访问它的时候。它是可偏向的，意味着，它现在认为只可能有一个线程来访问它，所以当第一个
线程来访问它的时候，它会偏向这个线程，此时，对象持有偏向锁。偏向第一个线程，这个线程在修改对象头成为偏向锁的时候使用CAS操作，并将
对象头中的ThreadID改成自己的ID，之后再次访问这个对象时，只需要对比ID，不需要再使用CAS在进行操作。
　　一旦有第二个线程访问这个对象，因为偏向锁不会主动释放，所以第二个线程可以看到对象时偏向状态，这时表明在这个对象上已经存在竞争了，检查原来持有该对象锁的线程是否依然存活，如果挂了，则可以将对象变为无锁状态，然后重新偏向新的线程，如果原来的线程依然存活，则马上执行那个线程的操作栈，检查该对象的使用情况，如果仍然需要持有偏向锁，则偏向锁升级为轻量级锁，（偏向锁就是这个时候升级为轻量级锁的）。如果不存在使用了，则可以将对象回复成无锁状态，然后重新偏向。
　　轻量级锁认为竞争存在，但是竞争的程度很轻，一般两个线程对于同一个锁的操作都会错开，或者说稍微等待一下（自旋-访问CPU空指令，为了避免更昂贵的线程阻塞、唤醒操作），另一个线程就会释放锁。 但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁膨胀为重量级锁，重量级锁使除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞，防止CPU空转。

 

1.1 重量级锁

　　重量级锁是 Java 虚拟机中最为基础的锁实现。在这种状态下，Java 虚拟机会阻塞加锁失败的线程，并且在目标锁被释放的时候，唤醒这些线程。

　　Java 线程的阻塞以及唤醒，都是依靠操作系统来完成的。举例来说，对于符合 posix 接口的操作系统（如 macOS 和绝大部分的 Linux），上述操作是通过 pthread 的互斥锁（mutex）来实现的。此外，这些操作将涉及系统调用，需要从操作系统的用户态切换至内核态，其开销非常之大。为了尽量避免昂贵的线程阻塞、唤醒操作，Java 虚拟机会在线程进入阻塞状态之前，以及被唤醒后竞争不到锁的情况下，进入自旋状态，在处理器上空跑并且轮询锁是否被释放。如果此时锁恰好被释放了，那么当前线程便无须进入阻塞状态，而是直接获得这把锁。与线程阻塞相比，自旋状态可能会浪费大量的处理器资源。这是因为当前线程仍处于运行状况，只不过跑的是无用指令。它期望在运行无用指令的过程中，锁能够被释放出来。

 

　　我们可以用等红绿灯作为例子。Java 线程的阻塞相当于熄火停车，而自旋状态相当于怠速停车。如果红灯的等待时间非常长，那么熄火停车相对省油一些；如果红灯的等待时间非常短，比如说我们在 synchronized 代码块里只做了一个整型加法，那么在短时间内锁肯定会被释放出来，因此怠速停车更加合适。

　　然而，对于 Java 虚拟机来说，它并不能看到红灯的剩余时间，也就没办法根据等待时间的长短来选择自旋还是阻塞。Java 虚拟机给出的方案是自适应自旋，根据以往自旋等待时是否能够获得锁，来动态调整自旋的时间（循环数目）。

　　就我们的例子来说，如果之前不熄火等到了绿灯，那么这次不熄火的时间就长一点；如果之前不熄火没等到绿灯，那么这次不熄火的时间就短一点。

　　自旋状态还带来另外一个副作用，那便是不公平的锁机制。处于阻塞状态的线程，并没有办法立刻竞争被释放的锁。然而，处于自旋状态的线程，则很有可能优先获得这把锁。

1.2 轻量级锁

 　　你可能见到过深夜的十字路口，四个方向都闪黄灯的情况。由于深夜十字路口的车辆来往可能比较少，如果还设置红绿灯交替，那么很有可能出现四个方向仅有一辆车在等红灯的情况。

　　因此，红绿灯可能被设置为闪黄灯的情况，代表车辆可以自由通过，但是司机需要注意观察（个人理解，实际意义请咨询交警部门）。

　　Java 虚拟机也存在着类似的情形：多个线程在不同的时间段请求同一把锁，也就是说没有锁竞争。针对这种情形，Java 虚拟机采用了轻量级锁，来避免重量级锁的阻塞以及唤醒。

1.1 偏向锁

　　如果说轻量级锁针对的情况很乐观，那么接下来的偏向锁针对的情况则更加乐观：从始至终只有一个线程请求某一把锁。

　　这就好比你在私家庄园里装了个红绿灯，并且庄园里只有你在开车。偏向锁的做法便是在红绿灯处识别来车的车牌号。如果匹配到你的车牌号，那么直接亮绿灯。

　　具体来说，在线程进行加锁时，如果该锁对象支持偏向锁，那么 Java 虚拟机会通过 CAS 操作，将当前线程的地址记录在锁对象的标记字段之中。

2. synchronized知识补充

A. 无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，如果它作用的对象是非静态的，则它取得的锁是对象；如果synchronized作用的对象是一个静态方法或一个类，则它取得的锁是对类，该类所有的对象同一把锁。
B. 每个对象只有一个锁（lock）与之相关联，谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。
C. 实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。

 Java中Synchronized的用法

2.1 对象锁

例1：一个线程访问一个对象中的synchronized(this)同步代码块时，其他试图访问该对象的线程将被阻塞

package syn;

/**
 * 同步线程
 */
class SyncThread implements Runnable {
    private static int count;

    public SyncThread() {
        count = 0;
    }

    public void run() {
        synchronized(this) {
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SyncThread syncThread = new SyncThread();
        Thread thread1 = new Thread(syncThread, "SyncThread1"); // 如果这里第一个参数是syncThread1，下面是syncThread2，那么synchronized锁没用（因为是对象锁），这是两个对象
        Thread thread2 = new Thread(syncThread, "SyncThread2"); 
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

结果：

SyncThread1:0
SyncThread1:1
SyncThread1:2
SyncThread1:3
SyncThread1:4
SyncThread2:5
SyncThread2:6
SyncThread2:7
SyncThread2:8
SyncThread2:9

例2：看出一个线程访问一个对象的synchronized代码块时，别的线程可以访问该对象的非synchronized代码块而不受阻塞。

package syn;

class Counter implements Runnable{
    private int count;

    public Counter() {
        count = 0;
    }

    public void countAdd() {
        synchronized(this) {
            for (int i = 0; i < 5; i ++) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    //非synchronized代码块，未对count进行读写操作，所以可以不用synchronized
    public void printCount() {
        for (int i = 0; i < 5; i ++) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " count:" + count);
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        if (threadName.equals("A")) {
            countAdd();
        } else if (threadName.equals("B")) {
            printCount();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();
        Thread thread1 = new Thread(counter, "A");
        Thread thread2 = new Thread(counter, "B");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

例3：

package syn;

/**
 * https://blog.csdn.net/luoweifu/article/details/46613015
 * 银行账户类
 */
class Account {
    String name;
    float amount;

    public Account(String name, float amount) {
        this.name = name;
        this.amount = amount;
    }
    //存钱
    public  void deposit(float amt) {
        amount += amt;
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //取钱
    public  void withdraw(float amt) {
        amount -= amt;
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public float getBalance() {
        return amount;
    }
}

/**
 * 账户操作类
 */
class AccountOperator implements Runnable{
    private Account account;
    public AccountOperator(Account account) {
        this.account = account;
    }

    public void run() {
        synchronized (account) {
            account.deposit(500);
            account.withdraw(500);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + account.getBalance());
        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        Account account = new Account("zhang san", 10000.0f);
        AccountOperator accountOperator = new AccountOperator(account);

        /**
         * 运行结果表明，5条线程分别对account实例进行+500和-500的操作，并且他们是串行的。
         * MyThread的run中，锁定得是account对象，执行的是对account进行+500和-500的操作。
         * 程序执行新建了5条线程访问，分别执行MyThread中的run方法。因为传入的都是实例account，
         * 所以5条线程之间是使用同一把锁，互斥，必须等当前线程完成后，下一条线程才能访问account。
         */
        final int THREAD_NUM = 5;
        Thread threads[] = new Thread[THREAD_NUM];
        for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i ++) {
            threads[i] = new Thread(accountOperator, "Thread" + i);
            threads[i].start();
        }

    }
}

结果：

Thread0:10000.0
Thread4:10000.0
Thread3:10000.0
Thread2:10000.0
Thread1:10000.0

2.2 类锁

例4：

package syn;

/**
 * 同步线程
 *
 * 修饰方法-写法1：
 * public synchronized void method()
 * {
 *    // todo
 * }
 *
 * 修饰方法-写法2：
 * public void method()
 * {
 *    synchronized(this) {
 *       // todo
 *    }
 * }
 */
class SyncThreadStatic implements Runnable {
    private static int count;

    public SyncThreadStatic() {
        count = 0;
    }

    /**
     * syncThread1和syncThread2是SyncThread的两个对象，但在thread1和thread2并发执行时却保持了线程同步。
     * 这是因为run中调用了静态方法method，而静态方法是属于类的，所以syncThread1和syncThread2相当于用了同一把锁。这与Demo1是不同的。
     */
    public synchronized static void method() {
        for (int i = 0; i < 5; i ++) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

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

    public static void main(String[] args) {
        SyncThreadStatic syncThread1 = new SyncThreadStatic();
        SyncThreadStatic syncThread2 = new SyncThreadStatic();
        Thread thread1 = new Thread(syncThread1, "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread(syncThread2, "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

SyncThread1:0
SyncThread1:1
SyncThread1:2
SyncThread1:3
SyncThread1:4
SyncThread2:5
SyncThread2:6
SyncThread2:7
SyncThread2:8
SyncThread2:9

例5：

package syn;

/**
 * 同步线程
 */
class SyncThreadClass implements Runnable {
    private static int count;

    public SyncThreadClass() {
        count = 0;
    }

    /**
     * synchronized作用于一个类T时，是给这个类T加锁，T的所有对象用的是同一把锁。
     */
    public void method() {
        synchronized(SyncThread.class) {
            for (int i = 0; i < 5; i ++) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

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

    public static void main(String[] args) {
        SyncThreadClass syncThread1 = new SyncThreadClass();
        SyncThreadClass syncThread2 = new SyncThreadClass();
        Thread thread1 = new Thread(syncThread1, "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread(syncThread2, "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

SyncThread1:0
SyncThread1:1
SyncThread1:2
SyncThread1:3
SyncThread1:4
SyncThread2:5
SyncThread2:6
SyncThread2:7
SyncThread2:8
SyncThread2:9