說到鎖，都會(huì)提 synchronized 。這個(gè)英文單詞兒啥意思呢?翻譯成中文就是「同步」的意思

一般都是使用 synchronized 這個(gè)關(guān)鍵字來給一段代碼或者一個(gè)方法上鎖，使得這段代碼或者方法，在同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程來執(zhí)行它。

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synchronized 相比于 volatile 來說，用的比較靈活，你可以在方法上使用，可以在靜態(tài)方法上使用，也可以在代碼塊上使用。

關(guān)于 synchronized 這一塊大概就說到這里，阿粉今天想著重來說一下， synchronized 底層是怎么實(shí)現(xiàn)的

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JVM 是如何實(shí)現(xiàn) synchronized 的?

我知道可以利用 synchronized 關(guān)鍵字來給程序進(jìn)行加鎖，但是它具體怎么實(shí)現(xiàn)的我不清楚呀，別急，咱們先來看個(gè) demo :

public class demo { 
    public void synchronizedDemo(Object lock){ 
  synchronized(lock){ 
   lock.hashCode(); 
  } 
 } 
} 

上面是我寫的一個(gè) demo ，然后進(jìn)入到 class 文件所在的目錄下，使用 javap -v demo.class 來看一下編譯的字節(jié)碼(在這里我截取了一部分):

public void synchronizedDemo(java.lang.Object); 
  descriptor: (Ljava/lang/Object;)V 
  flags: ACC_PUBLIC 
  Code: 
    stack=2, locals=4, args_size=2 
       0: aload_1 
       1: dup 
       2: astore_2 
       3: monitorenter 
       4: aload_1 
       5: invokevirtual #2                  // Method java/lang/Object.hashCode:()I 
       8: pop 
       9: aload_2 
      10: monitorexit 
      11: goto          19 
      14: astore_3 
      15: aload_2 
      16: monitorexit 
      17: aload_3 
      18: athrow 
      19: return 
    Exception table: 
       from    to  target type 
           4    11    14   any 
          14    17    14   any 

應(yīng)該能夠看到當(dāng)程序聲明 synchronized 代碼塊時(shí)，編譯成的字節(jié)碼會(huì)包含 monitorenter和 monitorexit 指令，這兩種指令會(huì)消耗操作數(shù)棧上的一個(gè)引用類型的元素(也就是 synchronized 關(guān)鍵字括號(hào)里面的引用)，作為所要加鎖解鎖的鎖對(duì)象。如果看的比較仔細(xì)的話，上面有一個(gè) monitorenter 指令和兩個(gè) monitorexit 指令，這是 Java 虛擬機(jī)為了確保獲得的鎖不管是在正常執(zhí)行路徑，還是在異常執(zhí)行路徑上都能夠解鎖。

• 關(guān)于 monitorenter 和 monitorexit ，可以理解為每個(gè)鎖對(duì)象擁有一個(gè)鎖計(jì)數(shù)器和一個(gè)指向持有該鎖的線程指針:
• 當(dāng)程序執(zhí)行 monitorenter 時(shí)，如果目標(biāo)鎖對(duì)象的計(jì)數(shù)器為 0 ，說明這個(gè)時(shí)候它沒有被其他線程所占有，此時(shí)如果有線程來請(qǐng)求使用， Java 虛擬機(jī)就會(huì)分配給該線程，并且把計(jì)數(shù)器的值加 1
• 目標(biāo)鎖對(duì)象計(jì)數(shù)器不為 0 時(shí)，如果鎖對(duì)象持有的線程是當(dāng)前線程， Java 虛擬機(jī)可以將其計(jì)數(shù)器加 1 ，如果不是呢?那很抱歉，就只能等待，等待持有線程釋放掉

當(dāng)執(zhí)行 monitorexit 時(shí)， Java 虛擬機(jī)就將鎖對(duì)象的計(jì)數(shù)器減 1 ，當(dāng)計(jì)數(shù)器減到 0 時(shí)，說明這個(gè)鎖就被釋放掉了，此時(shí)如果有其他線程來請(qǐng)求，就可以請(qǐng)求成功

為什么采用這種方式呢?是為了允許同一個(gè)線程重復(fù)獲取同一把鎖。比如，一個(gè) Java 類中擁有好多個(gè) synchronized 方法，那這些方法之間的相互調(diào)用，不管是直接的還是間接的，都會(huì)涉及到對(duì)同一把鎖的重復(fù)加鎖操作。這樣去設(shè)計(jì)的話，就可以避免這種情況。

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鎖

在 Java 多線程中，所有的鎖都是基于對(duì)象的。也就是說， Java 中的每一個(gè)對(duì)象都可以作為一個(gè)鎖。你可能會(huì)有疑惑，不對(duì)呀，不是還有類鎖嘛。但是 class 對(duì)象也是特殊的 Java 對(duì)象，所以呢，在 Java 中所有的鎖都是基于對(duì)象的

在 Java6 之前，所有的鎖都是"重量級(jí)"鎖，重量級(jí)鎖會(huì)帶來一個(gè)問題，就是如果程序頻繁獲得鎖釋放鎖，就會(huì)導(dǎo)致性能的極大消耗。為了優(yōu)化這個(gè)問題，引入了"偏向鎖"和"輕量級(jí)鎖"的概念。所以在 Java6 及其以后的版本，一個(gè)對(duì)象有 4 種鎖狀態(tài):無鎖狀態(tài)，偏向鎖狀態(tài)，輕量級(jí)鎖狀態(tài)，重量級(jí)鎖狀態(tài)。

在 4 種鎖狀態(tài)中，無鎖狀態(tài)應(yīng)該比較好理解，無鎖就是沒有鎖，任何線程都可以嘗試修改，所以這里就一筆帶過了。

隨著競(jìng)爭(zhēng)情況的出現(xiàn)，鎖的升級(jí)非常容易發(fā)生，但是如果想要讓鎖降級(jí)，條件非常苛刻，有種你想來可以，但是想走不行的趕腳。

阿粉在這里啰嗦一句:很多文章說，鎖如果升級(jí)之后是不能降級(jí)的，其實(shí)在 HotSpot JVM 中，是支持鎖降級(jí)的

鎖降級(jí)發(fā)生在 Stop The World 期間，當(dāng) JVM 進(jìn)入安全點(diǎn)的時(shí)候，會(huì)檢查有沒有閑置的鎖，如果有就會(huì)嘗試進(jìn)行降級(jí)

看到 Stop The World 和 安全點(diǎn) 可能有人比較懵，我這里簡(jiǎn)單說一下，具體還需要讀者自己去探索一番.(因?yàn)檫@是 JVM 的內(nèi)容，這篇文章的重點(diǎn)不是 JVM )

在 Java 虛擬機(jī)里面，傳統(tǒng)的垃圾回收算法采用的是一種簡(jiǎn)單粗暴的方式，就是 Stop-the-world ，而這個(gè) Stop-the-world 就是通過安全點(diǎn)( safepoint )機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的，安全點(diǎn)是什么意思呢?就是 Java 程序在執(zhí)行本地代碼時(shí)，如果這段代碼不訪問 Java 對(duì)象/調(diào)用 Java 方法/返回到原來的 Java 方法，那 Java 虛擬機(jī)的堆棧就不會(huì)發(fā)生改變，這就代表執(zhí)行的這段本地代碼可以作為一個(gè)安全點(diǎn)。當(dāng) Java 虛擬機(jī)收到 Stop-the-world 請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)等所有的線程都到達(dá)安全點(diǎn)之后，才允許請(qǐng)求 Stop-the-world 的線程進(jìn)行獨(dú)占工作

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接下來就介紹一下幾種鎖和鎖升級(jí)

Java 對(duì)象頭

在剛開始就說了， Java 的鎖都是基于對(duì)象的，那是怎么告訴程序我是個(gè)鎖呢?就不得不來說， Java 對(duì)象頭 每個(gè) Java 對(duì)象都有對(duì)象頭，如果是非數(shù)組類型，就用 2 個(gè)字寬來存儲(chǔ)對(duì)象頭，如果是數(shù)組，就用 3 個(gè)字寬來存儲(chǔ)對(duì)象頭。在 32 位處理器中，一個(gè)字寬是 32 位;在 64 位處理器中，字寬就是 64 位咯~對(duì)象頭的內(nèi)容就是下面這樣:

咱們主要來看 Mark Word 的內(nèi)容:

從上面表格中，應(yīng)該能夠看到，是偏向鎖時(shí)， Mark Word 存儲(chǔ)的是偏向鎖的線程 ID ;是輕量級(jí)鎖時(shí)， Mark Word 存儲(chǔ)的是指向線程棧中 Lock Record 的指針;是重量級(jí)鎖時(shí)， Mark Word 存儲(chǔ)的是指向堆中的 monitor 對(duì)象的指針

偏向鎖

HotSpot 的作者經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下,鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線程多次獲得

基于此，就引入了偏向鎖的概念

所以啥是偏向鎖呢?用大白話說就是，我現(xiàn)在給鎖設(shè)置一個(gè)變量，當(dāng)一個(gè)線程請(qǐng)求的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這個(gè)鎖是 true ，也就是說這個(gè)時(shí)候沒有所謂的資源競(jìng)爭(zhēng)，那也不用走什么加鎖/解鎖的流程了，直接拿來用就行。但是如果這個(gè)鎖是 false 的話，說明存在其他線程競(jìng)爭(zhēng)資源，那咱們?cè)僮哒?guī)的流程

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看一下具體的實(shí)現(xiàn)原理:

當(dāng)一個(gè)線程第一次進(jìn)入同步塊時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和棧幀中的鎖記錄中存儲(chǔ)鎖偏向的線程 ID 。當(dāng)下次該線程進(jìn)入這個(gè)同步塊時(shí)，會(huì)檢查鎖的 Mark Word 里面存放的是不是自己的線程 ID。如果是，說明線程已經(jīng)獲得了鎖，那么這個(gè)線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)，都不需要花費(fèi) CAS 操作來加鎖和解鎖;如果不是，說明有另外一個(gè)線程來競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)偏向鎖，這時(shí)就會(huì)嘗試使用 CAS 來替換 Mark Word 里面的線程 ID 為新線程的 ID 。此時(shí)會(huì)有兩種情況:

• 替換成功，說明之前的線程不存在了，那么 Mark Word 里面的線程 ID 為新線程的 ID ，鎖不會(huì)升級(jí)，此時(shí)仍然為偏向鎖
• 替換失敗，說明之前的線程仍然存在，那就暫停之前的線程，設(shè)置偏向鎖標(biāo)識(shí)為 0 ，并設(shè)置鎖標(biāo)志位為 00 ，升級(jí)為輕量級(jí)鎖，按照輕量級(jí)鎖的方式進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)鎖

撤銷偏向鎖

偏向鎖使用了一種等到競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)時(shí)才釋放鎖的機(jī)制。也就說，如果沒有人來和我競(jìng)爭(zhēng)鎖的時(shí)候，那么這個(gè)鎖就是我獨(dú)有的，當(dāng)其他線程嘗試和我競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，我會(huì)釋放這個(gè)鎖

在偏向鎖向輕量級(jí)鎖升級(jí)時(shí)，首先會(huì)暫停擁有偏向鎖的線程，重置偏向鎖標(biāo)識(shí)，看起來這個(gè)過程挺簡(jiǎn)單的，但是開銷是很大的，因?yàn)?

• 首先需要在一個(gè)安全點(diǎn)停止擁有鎖的線程
• 然后遍歷線程棧，如果存在鎖記錄的話，就需要修復(fù)鎖記錄和 Mark Word ，變成無鎖狀態(tài)
• 最后喚醒被停止的線程，把偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖

你以為就是升級(jí)一個(gè)輕量級(jí)鎖?too young too simple

偏向鎖向輕量級(jí)鎖升級(jí)的過程中，是非常耗費(fèi)資源的，如果應(yīng)用程序中所有的鎖通常都處于競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，偏向鎖此時(shí)就是一個(gè)累贅，此時(shí)就可以通過 JVM 參數(shù)關(guān)閉偏向鎖: -XX:-UseBiasedLocking=false ，那么程序默認(rèn)會(huì)進(jìn)入輕量級(jí)鎖狀態(tài)

最后，來張圖吧~

輕量級(jí)鎖

如果多個(gè)線程在不同時(shí)段獲取同一把鎖，也就是不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)的情況，那么 JVM 就會(huì)使用輕量級(jí)鎖來避免線程的阻塞與喚醒

輕量級(jí)鎖加鎖

JVM 會(huì)為每個(gè)線程在當(dāng)前線程的棧幀中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間，稱之為 Displaced Mark Word 。如果一個(gè)線程獲得鎖的時(shí)候發(fā)現(xiàn)是輕量級(jí)鎖，就會(huì)將鎖的 Mark Word 復(fù)制到自己的 Displaced Mark Word 中。之后線程會(huì)嘗試用 CAS 將鎖的 Mark Word 替換為指向鎖記錄的指針。

如果替換成功，當(dāng)前線程獲得鎖，那么整個(gè)狀態(tài)還是 輕量級(jí)鎖 狀態(tài)

如果替換失敗了呢?說明 Mark Word 被替換成了其他線程的鎖記錄，那就嘗試使用自旋來獲取鎖.(自旋是說，線程不斷地去嘗試獲取鎖，一般都是用循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的)

自旋是耗費(fèi) CPU 的，如果一直獲取不到鎖，線程就會(huì)一直自旋， CPU 那么寶貴的資源就這么被白白浪費(fèi)了

解決這個(gè)問題最簡(jiǎn)單的辦法就是指定自旋的次數(shù)，比如如果沒有替換成功，那就循環(huán) 10 次，還沒有獲取到，那就進(jìn)入阻塞狀態(tài)

但是 JDK 采用了一個(gè)更加巧妙的方法---適應(yīng)性自旋。就是說，如果這次線程自旋成功了，那我下次自旋次數(shù)更多一些，因?yàn)槲疫@次自旋成功，說明我成功的概率還是挺大的，下次自旋次數(shù)就更多一些，那么如果自旋失敗了，下次我自旋次數(shù)就減少一些，就比如，已經(jīng)看到了失敗的前兆，那我就先溜，而不是非要“不撞南墻不回頭”

自旋失敗之后，線程就會(huì)阻塞，同時(shí)鎖會(huì)升級(jí)成重量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖釋放:

在釋放鎖時(shí)，當(dāng)前線程會(huì)使用 CAS 操作將 Displaced Mark Word 中的內(nèi)容復(fù)制到鎖的 Mark Word 里面。如果沒有發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)，這個(gè)復(fù)制的操作就會(huì)成功;如果有其他線程因?yàn)樽孕啻螌?dǎo)致輕量級(jí)鎖升級(jí)成了重量級(jí)鎖， CAS 操作就會(huì)失敗，此時(shí)會(huì)釋放鎖同時(shí)喚醒被阻塞的過程

同樣，來一張圖吧:

重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖依賴于操作系統(tǒng)的互斥量( mutex )來實(shí)現(xiàn)。但是操作系統(tǒng)中線程間狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長(zhǎng)的時(shí)間(因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，這個(gè)切換成本很高),所以重量級(jí)鎖效率很低，但是有一點(diǎn)就是，被阻塞的線程是不會(huì)消耗 CPU 的

每一個(gè)對(duì)象都可以當(dāng)做一個(gè)鎖，那么當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)請(qǐng)求某個(gè)對(duì)象鎖時(shí)，它會(huì)怎么處理呢?

對(duì)象鎖會(huì)設(shè)置集中狀態(tài)來區(qū)分請(qǐng)求的線程:

Contention List:所有請(qǐng)求鎖的線程將被首先放置到該競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)列

Entry List: Contention List 中那些有資格成為候選人的線程被移到 Entry List 中

Wait Set:調(diào)用 wait 方法被阻塞的線程會(huì)被放置到 Wait Set 中

OnDeck:任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)線程正在競(jìng)爭(zhēng)鎖，該線程稱為 OnDeck

Owner:獲得鎖的線程稱為 Owner

!Owner:釋放鎖的線程

當(dāng)一個(gè)線程嘗試獲得鎖時(shí)，如果這個(gè)鎖被占用，就會(huì)把該線程封裝成一個(gè) ObjectWaiter對(duì)象插入到 Contention List 隊(duì)列的隊(duì)首，然后調(diào)用 park 函數(shù)掛起當(dāng)前線程

當(dāng)線程釋放鎖時(shí)，會(huì)從 Contention List 或者 Entry List 中挑選一個(gè)線程進(jìn)行喚醒

如果線程在獲得鎖之后，調(diào)用了 Object.wait 方法，就會(huì)將該線程放入到 WaitSet 中，當(dāng)被 Object.notify 喚醒后，會(huì)將線程從 WaitSet 移動(dòng)到 Contention List 或者 Entry List 中。

但是，當(dāng)調(diào)用一個(gè)鎖對(duì)象的 wait 或 notify 方法時(shí),如果當(dāng)前鎖的狀態(tài)是偏向鎖或輕量級(jí)鎖，則會(huì)先膨脹成重量級(jí)鎖

總結(jié):

synchronized 關(guān)鍵字是通過 monitorenter 和 monitorexit 兩種指令來保證鎖的

當(dāng)一個(gè)線程準(zhǔn)備獲取共享資源時(shí):

• 首先檢查 MarkWord 里面放的是不是自己的 ThreadID ，如果是，說明當(dāng)前線程處于 "偏向鎖"
• 如果不是，鎖升級(jí)，這時(shí)使用 CAS 操作來執(zhí)行切換，新的線程根據(jù) MarkWord 里面現(xiàn)有的 ThreadID 來通知之前的線程暫停，將 MarkWord 的內(nèi)容置為空
• 然后，兩個(gè)線程都將鎖對(duì)象 HashCode 復(fù)制到自己新建的用于存儲(chǔ)鎖的記錄空間中，接著開始通過 CAS 操作，把鎖對(duì)象的 MarkWord 的內(nèi)容修改為自己新建的記錄空間地址，以這種方式競(jìng)爭(zhēng) MarkWord ，成功執(zhí)行 CAS 的線程獲得資源，失敗的則進(jìn)入自旋
• 自旋的線程在自旋過程中，如果成功獲得資源(也就是之前獲得資源的線程執(zhí)行完畢，釋放了共享資源)，那么整個(gè)狀態(tài)依然是 輕量級(jí)鎖 的狀態(tài)
• 如果沒有獲得資源，就進(jìn)入 重量級(jí)鎖 的狀態(tài)，此時(shí)，自旋的線程進(jìn)行阻塞，等待之前線程執(zhí)行完成并且喚醒自己

參考:

• Java 并發(fā)編程的技術(shù)
• 極客時(shí)間---深入拆解 Java 虛擬機(jī)

到這里，整篇文章的內(nèi)容就算是結(jié)束了。

沒想到這篇文章竟然被阿粉寫了有 5000 多字(阿粉不會(huì)告訴你這篇文章，是阿粉在假期里面從大早上八點(diǎn)就開始寫，寫到下午五六點(diǎn)，累到虛脫的我

能夠閱讀到這里的各位，都是最靚的仔仔

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