深入分析synchronized原理和锁膨胀过程

前言

上一篇文章介绍了多线程的概念及synchronized的使用方法《synchronized的使用（一）》，但是仅仅会用还是不够的，只有了解其底层实现才能在开发过程中运筹帷幄，所以本篇探讨synchronized的实现原理及锁升级(膨胀)的过程。

synchronized实现原理

synchronized是依赖于JVM来实现同步的，在同步方法和代码块的原理有点区别。

同步代码块

我们在代码块加上synchronized关键字

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public void synSay() { synchronized (object) { System.out.println("synSay----" + Thread.currentThread().getName()); } }

编译之后，我们利用反编译命令javap -v xxx.class查看对应的字节码，这里为了减少篇幅，我就只粘贴对应的方法的字节码。

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public void synSay(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=3, locals=3, args_size=1 0: aload_0 1: getfield #2 // Field object:Ljava/lang/String; 4: dup 5: astore_1 6: monitorenter 7: getstatic #3 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 10: new #4 // class java/lang/StringBuilder 13: dup 14: invokespecial #5 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V 17: ldc #6 // String synSay---- 19: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; 22: invokestatic #8 // Method java/lang/Thread.currentThread:()Ljava/lang/Thread; 25: invokevirtual #9 // Method java/lang/Thread.getName:()Ljava/lang/String; 28: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; 31: invokevirtual #10 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String; 34: invokevirtual #11 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 37: aload_1 38: monitorexit 39: goto 47 42: astore_2 43: aload_1 44: monitorexit 45: aload_2 46: athrow 47: return Exception table: from to target type 7 39 42 any 42 45 42 any LineNumberTable: line 21: 0 line 22: 7 line 23: 37 line 24: 47 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 48 0 this Lcn/T1; StackMapTable: number_of_entries = 2 frame_type = 255 /* full_frame */ offset_delta = 42 locals = [ class cn/T1, class java/lang/Object ] stack = [ class java/lang/Throwable ] frame_type = 250 /* chop */ offset_delta = 4

可以发现synchronized同步代码块是通过加monitorenter和monitorexit指令实现的。
每个对象都有个监视器锁(monitor) ，当monitor被占用的时候就代表对象处于锁定状态，而monitorenter指令的作用就是获取monitor的所有权，monitorexit的作用是释放monitor的所有权，这两者的工作流程如下：
monitorenter：

1. 如果monitor的进入数为0，则线程进入到monitor，然后将进入数设置为1，该线程称为monitor的所有者。
2. 如果是线程已经拥有此monitor(即monitor进入数不为0)，然后该线程又重新进入monitor，则将monitor的进入数+1，这个即为锁的重入。
3. 如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入到阻塞状态，知道monitor的进入数为0，该线程再去重新尝试获取monitor的所有权。

monitorexit：执行该指令的线程必须是monitor的所有者，指令执行时，monitor进入数-1，如果-1后进入数为0，那么线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。这个时候其它阻塞的线程可以尝试获取monitor的所有权。

同步方法

在方法上加上synchronized关键字

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synchronized public void synSay() { System.out.println("synSay----" + Thread.currentThread().getName()); }

编译之后，我们利用反编译命令javap -v xxx.class查看对应的字节码，这里为了减少篇幅，我就只粘贴对应的方法的字节码。

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public synchronized void synSay(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED Code: stack=3, locals=1, args_size=1 0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 3: new #3 // class java/lang/StringBuilder 6: dup 7: invokespecial #4 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V 10: ldc #5 // String synSay---- 12: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; 15: invokestatic #7 // Method java/lang/Thread.currentThread:()Ljava/lang/Thread; 18: invokevirtual #8 // Method java/lang/Thread.getName:()Ljava/lang/String; 21: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; 24: invokevirtual #9 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String; 27: invokevirtual #10 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 30: return LineNumberTable: line 20: 0 line 21: 30 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 31 0 this Lcn/T1;

从字节码上看，加有synchronized关键字的方法，常量池中比普通的方法多了个ACC_SYNCHRONIZED标识，JVM就是根据这个标识来实现方法的同步。
当调用方法的时候，调用指令会检查方法是否有ACC_SYNCHRONIZED标识，有的话线程需要先获取monitor，获取成功才能继续执行方法，方法执行完毕之后，线程再释放monitor，同一个monitor同一时刻只能被一个线程拥有。

两种同步方式区别

synchronized同步代码块的时候通过加入字节码monitorenter和monitorexit指令来实现monitor的获取和释放，也就是需要JVM通过字节码显式的去获取和释放monitor实现同步，而synchronized同步方法的时候，没有使用这两个指令，而是检查方法的ACC_SYNCHRONIZED标志是否被设置，如果设置了则线程需要先去获取monitor，执行完毕了线程再释放monitor，也就是不需要JVM去显式的实现。
这两个同步方式实际都是通过获取monitor和释放monitor来实现同步的，而monitor的实现依赖于底层操作系统的mutex互斥原语，而操作系统实现线程之间的切换的时候需要从用户态转到内核态，这个转成过程开销比较大。
线程获取、释放monitor的过程如下：

线程尝试获取monitor的所有权，如果获取失败说明monitor被其他线程占用，则将线程加入到的同步队列中，等待其他线程释放monitor，当其他线程释放monitor后，有可能刚好有线程来获取monitor的所有权，那么系统会将monitor的所有权给这个线程，而不会去唤醒同步队列的第一个节点去获取，所以synchronized是非公平锁。如果线程获取monitor成功则进入到monitor中，并且将其进入数+1。

关于什么是公平锁、非公平锁可以参考一下美团技术团队写的《不可不说的Java“锁”事》

到这里我们也清楚了synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象完成，其实wait、notiyf和notifyAll等方法也是依赖于monitor对象来完成的，这也就是为什么需要在同步方法或者同步代码块中调用的原因(需要先获取对象的锁，才能执行)，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常

Java对象的组成

我们知道了线程要访问同步方法、代码块的时候，首先需要取得锁，在退出或者抛出异常的时候又必须释放锁，那么锁到底是什么？又储存在哪里？
为了解开这个疑问，我们需要进入Java虚拟机(JVM) 的世界。在HotSpot虚拟机中，Java对象在内存中储存的布局可以分为3块区域：对象头、实例数据、对齐填充。synchronized使用的锁对象储存在对象头中

对象头

对象头的数据长度在32位和64位(未开启压缩指针)的虚拟机中分别为32bit和64bit。对象头由以下三个部分组成：

• Mark Word：记录了对象和锁的有关信息，储存对象自身的运行时数据，如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁标志位、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄等。注意这个Mark Word结构并不是固定的，它会随着锁状态标志的变化而变化，而且里面的数据也会随着锁状态标志的变化而变化，这样做的目的是为了节省空间。
• 类型指针：指向对象的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
• 数组长度：这个属性只有数组对象才有，储存着数组对象的长度。

在32位虚拟机下，Mark Word的结构和数据可能为以下5种中的一种。

在64位虚拟机下，Mark Word的结构和数据可能为以下2种中的一种。

这里重点注意是否偏向锁和锁标志位，这两个标识和synchronized的锁膨胀息息相关。

实例数据

储存着对象的实际数据，也就是我们在程序中定义的各种类型的字段内容。

对齐填充

HotSpot虚拟机的对齐方式为8字节对齐，即一个对象必须为8字节的整数倍，如果不是，则通过这个对齐填充来占位填充。

synchronized锁膨胀过程

上文介绍的 “synchronized实现原理” 实际是synchronized实现重量级锁的原理，那么上文频繁提到monitor对象和对象又存在什么关系呢，或者说monitor对象储存在对象的哪个地方呢？
在对象的对象头中，当锁的状态为重量级锁的时候，它的指针即指向monitor对象，如图：

那锁的状态为其它状态的时候是不是就没用上monitor对象？答案:是的。
这也是JVM对synchronized的优化，我们知道重量级锁的实现是基于底层操作系统的mutex互斥原语的，这个开销是很大的。所以JVM对synchronized做了优化，JVM先利用对象头实现锁的功能，如果线程的竞争过大则会将锁升级(膨胀)为重量级锁，也就是使用monitor对象。当然JVM对锁的优化不仅仅只有这个，还有引入适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁、偏向锁等。

那么锁的是怎么进行膨胀的或者依据什么来膨胀，这也就是本篇需要介绍的重点，首先我们需要了解几个概念。

锁的优化

自旋锁和自适应性自旋锁

自旋：当有个线程A去请求某个锁的时候，这个锁正在被其它线程占用，但是线程A并不会马上进入阻塞状态，而是循环请求锁(自旋)。这样做的目的是因为很多时候持有锁的线程会很快释放锁的，线程A可以尝试一直请求锁，没必要被挂起放弃CPU时间片，因为线程被挂起然后到唤醒这个过程开销很大,当然如果线程A自旋指定的时间还没有获得锁，仍然会被挂起。

自适应性自旋：自适应性自旋是自旋的升级、优化，自旋的时间不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态决定。例如线程如果自旋成功了，那么下次自旋的次数会增多，因为JVM认为既然上次成功了，那么这次自旋也很有可能成功，那么它会允许自旋的次数更多。反之，如果对于某个锁，自旋很少成功，那么在以后获取这个锁的时候，自旋的次数会变少甚至忽略，避免浪费处理器资源。有了自适应性自旋，随着程序运行和性能监控信息的不断完善，JVM对程序锁的状况预测就会变得越来越准确，JVM也就变得越来越聪明。

锁消除

锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。

锁粗化

在使用锁的时候，需要让同步块的作用范围尽可能小，这样做的目的是为了使需要同步的操作数量尽可能小，如果存在锁竞争，那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。

轻量级锁

所谓轻量级锁是相对于使用底层操作系统mutex互斥原语实现同步的重量级锁而言的，因为轻量级锁同步的实现是基于对象头的Mark Word。那么轻量级锁是怎么使用对象头来实现同步的呢，我们看看具体实现过程。

获取锁过程：

1. 在线程进入同步方法、同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态(锁标志位为”01”状态，是否为偏向锁为”0”)，虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Recored)的空间，用于储存锁对象目前的Mark Word的拷贝(官方把这份拷贝加了个Displaced前缀，即Displaced Mark Word)。

2. 将对象头的Mark Word拷贝到线程的锁记录(Lock Recored)中。
3. 拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。如果这个更新成功了，则执行步骤4，否则执行步骤5。
4. 更新成功，这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位将转变为”00”，即表示此对象处于轻量级锁的状态。。

5. 更新失败，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，可以直接进入同步块继续执行，否则说明这个锁对象已经被其其它线程抢占了。进行自旋执行步骤3，如果自旋结束仍然没有获得锁，轻量级锁就需要膨胀为重量级锁，锁标志位状态值变为”10”，Mark Word中储存就是指向monitor对象的指针，当前线程以及后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

释放锁的过程：

1. 使用CAS操作将对象当前的Mark Word和线程中复制的Displaced Mark Word替换回来(依据Mark Word中锁记录指针是否还指向本线程的锁记录)，如果替换成功，则执行步骤2，否则执行步骤3。
2. 如果替换成功，整个同步过程就完成了，恢复到无锁的状态(01)。
3. 如果替换失败，说明有其他线程尝试获取该锁(此时锁已膨胀)，那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

偏向锁

偏向锁的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语，进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作区消除同步使用的互斥量，那么偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不用做了。偏向锁默认是开启的，也可以关闭。
偏向锁”偏”，就是”偏心”的”偏”，它的意思是这个锁会偏向于第一个获得它的程序，如果在接下来的执行过程中，该锁没有被其他的线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。

获取锁的过程：

1. 检查Mark Word是否为可偏向锁的状态，即是否偏向锁即为1即表示支持可偏向锁，否则为0表示不支持可偏向锁。
2. 如果是可偏向锁，则检查Mark Word储存的线程ID是否为当前线程ID，如果是则执行同步块，否则执行步骤3。
3. 如果检查到Mark Word的ID不是本线程的ID，则通过CAS操作去修改线程ID修改成本线程的ID，如果修改成功则执行同步代码块，否则执行步骤4。
4. 当拥有该锁的线程到达安全点之后，挂起这个线程，升级为轻量级锁。

锁释放的过程：

1. 有其他线程来获取这个锁，偏向锁的释放采用了一种只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。
2. 等待全局安全点(在这个是时间点上没有字节码正在执行)。
3. 暂停拥有偏向锁的线程，检查持有偏向锁的线程是否活着，如果不处于活动状态，则将对象头设置为无锁状态，否则设置为被锁定状态。如果锁对象处于无锁状态，则恢复到无锁状态(01)，以允许其他线程竞争，如果锁对象处于锁定状态，则挂起持有偏向锁的线程，并将对象头Mark Word的锁记录指针改成当前线程的锁记录，锁升级为轻量级锁状态(00)。

锁的转换过程

锁主要存在4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争的情况逐渐升级，这几个锁只有重量级锁是需要使用操作系统底层mutex互斥原语来实现，其他的锁都是使用对象头来实现的。需要注意锁可以升级，但是不可以降级。

这里盗个图，这个图总结的挺好的！

三种锁的优缺点比较

参考

深入理解Java虚拟机
Java的对象头和对象组成详解
JVM（三）JVM中对象的内存布局详解
JVM——深入分析对象的内存布局
啃碎并发（七）：深入分析Synchronized原理
Java Synchronized实现原理