13张图，带大家深入理解Synchronized|什么是锁粗化|锁消除|锁升级|偏向锁|轻量级锁|重量级锁

我不是女神ヾ 2022-10-22 02:50 129阅读 0赞

**目录**

前言

内容大纲

Synchronized使用方式

普通函数

静态函数

代码块

Synchronized原理

Synchronized优化

锁粗化

锁消除

锁升级

偏向锁

轻量级锁

重量级锁

--------------------

# 前言 #

Java并发编程系列第二篇`Synchronized`，文章风格依然是图文并茂，通俗易懂，本文带读者们由浅入深理解`Synchronized`，让读者们也能与面试官疯狂对线。

在并发编程中`Synchronized`一直都是元老级的角色，`Jdk 1.6`以前大家都称呼它为重量级锁，相对于`J U C`包提供的`Lock`，它会显得笨重，不过随着`Jdk 1.6`对`Synchronized`进行各种优化后，`Synchronized`性能已经非常快了。

# 内容大纲 #

![图片][ee9650de672972c531e9930beb153e0a.png]

# Synchronized使用方式 #

`Synchronized`是`Java`提供的**同步关键字**，在多线程场景下，对共享资源代码段进行读写操作（**必须包含写操作，光读不会有线程安全问题，因为读操作天然具备线程安全特性**），可能会出现线程安全问题，我们可以使用`Synchronized`锁定共享资源代码段，达到**互斥**（`mutualexclusion`）效果，保证线程安全。

共享资源代码段又称为**临界区**（`critical section`），保证**临界区互斥**，是指执行**临界区**（`critical section`）的只能有一个线程执行，其他线程阻塞等待，达到排队效果。

![图片][4fff7b7760fe93779f8c980ed79496da.png]

`Synchronized`的食用方式有三种

*  **修饰普通函数，监视器锁（`monitor`）便是对象实例（`this`）**
 *  **修饰静态静态函数，视器锁（`monitor`）便是对象的`Class`实例（每个对象只有一个`Class`实例）**
 *  **修饰代码块，监视器锁（`monitor`）是指定对象实例**

## 普通函数 ##

普通函数使用`Synchronized`的方式很简单，在**访问权限修饰符**与**函数返回类型**间加上`Synchronized`。

![图片][31a0e855d1ce65426c4ea112bbd30cbd.png]

多线程场景下，`thread`与`threadTwo`两个线程执行`incr`函数，`incr`函数作为**共享资源代码段**被多线程**读写操作**，我们将它称为**临界区**，为了保证**临界区互斥**，使用`Synchronized`修饰`incr`函数即可。

public class SyncTest {
    
        private int j = 0;
        
        /**
         * 自增方法
         */
        public synchronized void incr(){
            //临界区代码--start
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                j++;
            }
            //临界区代码--end
        }
    
        public int getJ() {
            return j;
        }
    }
    
    public class SyncMain {
    
        public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
            SyncTest syncTest = new SyncTest();
            Thread thread = new Thread(() -> syncTest.incr());
            Thread threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incr());
            thread.start();
            threadTwo.start();
            thread.join();
            threadTwo.join();
            //最终打印结果是20000，如果不使用synchronized修饰，就会导致线程安全问题，输出不确定结果
            System.out.println(syncTest.getJ());
        }
    
    }

代码十分简单，`incr`函数被`synchronized`修饰，函数逻辑是对`j`进行`10000`次累加，两个线程执行`incr`函数，最后输出`j`结果。

被`synchronized`修饰函数我们简称**同步函数**，线程执行称**同步函数**前，需要先获取监视器锁，简称锁，获取锁成功才能执行**同步函数**，**同步函数**执行完后，**线程会释放锁并通知唤醒其他线程获取锁**，获取锁失败「**则阻塞并等待通知唤醒该线程重新获取锁**」，**同步函数**会以`this`作为锁，即当前对象，以上面的代码段为例就是`syncTest`对象。

![图片][71d552ae0c76628cf234aa0e9f72d282.png]

*  **线程`thread`执行`syncTest.incr()`前**
 *  **线程`thread`获取锁成功**
 *  **线程`threadTwo`执行`syncTest.incr()`前**
 *  **线程`threadTwo`获取锁失败**
 *  **线程`threadTwo`阻塞并等待唤醒**
 *  **线程`thread`执行完`syncTest.incr()`，`j`累积到`10000`**
 *  **线程`thread`释放锁，通知唤醒`threadTwo`线程获取锁**
 *  **线程`threadTwo`获取锁成功**
 *  **线程`threadTwo`执行完`syncTest.incr()`，`j`累积到`20000`**
 *  **线程`threadTwo`释放锁**

## 静态函数 ##

静态函数顾名思义，就是静态的函数，它使用`Synchronized`的方式与普通函数一致，唯一的区别是锁的对象不再是`this`，而是`Class`对象。

![图片][6c355f90a244fa111e28acb6da5d80c2.png]

多线程执行`Synchronized`修饰静态函数代码段如下。

public class SyncTest {
    
        private static int j = 0;
        
        /**
         * 自增方法
         */
        public static synchronized void incr(){
            //临界区代码--start
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                j++;
            }
            //临界区代码--end
        }
    
        public static int getJ() {
            return j;
        }
    }
    
    public class SyncMain {
    
        public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
            Thread thread = new Thread(() -> SyncTest.incr());
            Thread threadTwo = new Thread(() -> SyncTest.incr());
            thread.start();
            threadTwo.start();
            thread.join();
            threadTwo.join();
            //最终打印结果是20000，如果不使用synchronized修饰，就会导致线程安全问题，输出不确定结果
            System.out.println(SyncTest.getJ());
        }
    
    }

`Java`的静态资源可以直接通过类名调用，静态资源不属于任何实例对象，它只属于`Class`对象，每个`Class`在`J V M`中只有唯一的一个`Class`对象，所以同步静态函数会以`Class`对象作为锁，后续获取锁、释放锁流程都一致。

## 代码块 ##

前面介绍的普通函数与静态函数粒度都比较大，以整个函数为范围锁定，现在想把范围缩小、灵活配置，就需要使用**代码块**了，使用`{}`符号定义范围给`Synchronized`修饰。

![图片][9881ea3ee59ad8c63d0c574839e70232.png]

下面代码中定义了`syncDbData`函数，`syncDbData`是一个伪同步数据的函数，耗时`2`秒，并且逻辑不涉及**共享资源读写操作**（**非临界区**），另外还有两个函数`incr`与`incrTwo`，都是在自增逻辑前执行了`syncDbData`函数，只是使用`Synchronized`的姿势不同，一个是修饰在函数上，另一个是修饰在代码块上。

public class SyncTest {
    
        private static int j = 0;
    
    
        /**
         * 同步库数据，比较耗时，代码资源不涉及共享资源读写操作。
         */
        public void syncDbData() {
            System.out.println("db数据开始同步------------");
            try {
                //同步时间需要2秒
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("db数据开始同步完成------------");
        }
    
        //自增方法
        public synchronized void incr() {
            //start--临界区代码
            //同步库数据
            syncDbData();
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                j++;
            }
            //end--临界区代码
        }
    
        //自增方法
        public void incrTwo() {
            //同步库数据
            syncDbData();
            synchronized (this) {
                //start--临界区代码
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    j++;
                }
                //end--临界区代码
            }
    
        }
    
        public int getJ() {
            return j;
        }
    
    }
    
    
    public class SyncMain {
    
        public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
            //incr同步方法执行
            SyncTest syncTest = new SyncTest();
            Thread thread = new Thread(() -> syncTest.incr());
            Thread threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incr());
            thread.start();
            threadTwo.start();
            thread.join();
            threadTwo.join();
            //最终打印结果是20000
            System.out.println(syncTest.getJ());
    
            //incrTwo同步块执行
            thread = new Thread(() -> syncTest.incrTwo());
            threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incrTwo());
            thread.start();
            threadTwo.start();
            thread.join();
            threadTwo.join();
            //最终打印结果是40000
            System.out.println(syncTest.getJ());
        }
    
    }

先看看`incr`同步方法执行，流程和前面没区别，只是`Synchronized`锁定的范围太大，把`syncDbData()`也纳入**临界区**中，多线程场景执行，会有性能上的浪费，因为`syncDbData()`完全可以让多线程**并行**或**并发**执行。

![图片][7ae3f500518d56ba0f5ff0de564764c7.png]

我们通过代码块的方式，来缩小范围，定义正确的**临界区**，提升性能，目光转到`incrTwo`同步块执行，`incrTwo`函数使用修饰代码块的方式同步，只对自增代码段进行锁定。

![图片][4a54b3e32ceed558daa988b6e230cd4d.png]

代码块同步方式除了灵活控制范围外，还能做线程间的协同工作，因为`Synchronized ()`括号中能接收任何对象作为锁，所以可以通过`Object`的`wait、notify、notifyAll`等函数，做多线程间的通信协同（本文不对线程通信协同做展开，主角是`Synchronized`，而且也不推荐去用这些方法，因为`LockSupport`工具类会是更好的选择）。

*  **wait：当前线程暂停，释放锁**
 *  **notify：释放锁，唤醒调用了wait的线程（如果有多个随机唤醒一个）**
 *  **notifyAll：释放锁，唤醒调用了wait的所有线程**

# Synchronized原理 #

为了探究`Synchronized`原理，我们对上面的代码进行反编译，输出反编译后结果，看看底层是如何实现的（**环境Java 11、win 10系统**）。

只截取了incr与incrTwo函数内容
            
      public synchronized void incr();
        Code:
           0: aload_0                                         
           1: invokevirtual #11                 // Method syncDbData:()V 
           4: iconst_0                          
           5: istore_1                          
           6: iload_1                                     
           7: sipush        10000               
          10: if_icmpge     27
          13: getstatic     #12                 // Field j:I
          16: iconst_1
          17: iadd
          18: putstatic     #12                 // Field j:I
          21: iinc          1, 1
          24: goto          6
          27: return
    
      public void incrTwo();    
        Code:
           0: aload_0
           1: invokevirtual #11                 // Method syncDbData:()V
           4: aload_0
           5: dup
           6: astore_1
           7: monitorenter                     //获取锁
           8: iconst_0
           9: istore_2
          10: iload_2
          11: sipush        10000
          14: if_icmpge     31
          17: getstatic     #12                 // Field j:I
          20: iconst_1
          21: iadd
          22: putstatic     #12                 // Field j:I
          25: iinc          2, 1
          28: goto          10
          31: aload_1
          32: monitorexit                      //正常退出释放锁 
          33: goto          41
          36: astore_3
          37: aload_1
          38: monitorexit                      //异步退出释放锁    
          39: aload_3
          40: athrow
          41: return

**ps:对上面指令感兴趣的读者，可以百度或google一下“JVM 虚拟机字节码指令表”**

先看`incrTwo`函数，`incrTwo`是代码块方式同步，在反编译后的结果中，我们发现存在`monitorenter`与`monitorexit`指令（**获取锁、释放锁**）。

`monitorenter`指令插入到同步代码块的开始位置，`monitorexit`指令插入到同步代码块的结束位置，`J V M`需要保证每一个 `monitorenter`都有`monitorexit`与之对应。

**任何对象**都有一个监视器锁（`monitor`）关联，线程执行`monitorenter`指令时尝试获取`monitor`的所有权。

*  **如果`monitor`的进入数为`0`，则该线程进入`monitor`，然后将进入数设置为`1`，该线程为`monitor`的所有者**
 *  **如果线程已经占有该`monitor`，重新进入，则`monitor`的进入数加`1`**
 *  **线程执行`monitorexit`，`monitor`的进入数-1，执行过多少次`monitorenter`，最终要执行对应次数的`monitorexit`**
 *  **如果其他线程已经占用`monitor`，则该线程进入阻塞状态，直到`monitor`的进入数为0，再重新尝试获取`monitor`的所有权**

回过头看`incr`函数，`incr`是普通函数方式同步，虽然在反编译后的结果中没有看到`monitorenter`与`monitorexit`指令，但是实际执行的流程与`incrTwo`函数一样，通过`monitor`来执行，只不过它是一种隐式的方式来实现，最后放一张流程图。

![图片][bf40fbb302bb76a9be1defc200407dd9.png]

# Synchronized优化 #

`Jdk 1.5`以后对`Synchronized`关键字做了各种的优化，经过优化后`Synchronized`已经变得原来越快了，这也是为什么官方建议使用`Synchronized`的原因，具体的优化点如下。

*  **锁粗化**
 *  **锁消除**
 *  **锁升级**

## 锁粗化 ##

**互斥的临界区**范围应该尽可能小，这样做的目的是为了使同步的操作数量尽可能缩小，缩短阻塞时间，如果存在锁竞争，那么等待锁的线程也能尽快拿到锁。

但是加锁解锁也需要消耗资源，如果存在一系列的连续加锁解锁操作，可能会导致不必要的性能损耗，**锁粗化**就是将「**多个连续的加锁、解锁操作连接在一起**」，扩展成一个范围更大的锁，避免频繁的加锁解锁操作。

![图片][a450a050e0148a3c2af91c30a809bf74.png]

`J V M`会检测到一连串的操作都对同一个对象加锁（`for`循环`10000`次执行`j++`，没有锁粗化就要进行`10000`次加锁/解锁），此时`J V M`就会将加锁的范围粗化到这一连串操作的外部（比如`for`循环体外），使得这一连串操作只需要加一次锁即可。

## 锁消除 ##

`Java`虚拟机在`JIT`编译时(**可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译**)，通过对运行上下文的扫描，经过逃逸分析（**对象在函数中被使用，也可能被外部函数所引用，称为函数逃逸**），去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的时间消耗。

![图片][c1dcc487afcf178d6946571a3d940150.png]

代码中使用`Object`作为锁，但是`Object`对象的生命周期只在`incrFour()`函数中，并不会被其他线程所访问到，所以在`J I T`编译阶段就会被优化掉（**此处的`Object`属于没有逃逸的对象**）。

## 锁升级 ##

`Java`中每个对象都拥有对象头，对象头由`Mark World` 、指向类的指针、以及数组长度三部分组成，本文，我们只需要关心`Mark World` 即可，`Mark World`  记录了对象的`HashCode`、分代年龄和锁标志位信息。

**Mark World简化结构**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁状态</th> 
   <th>存储内容</th> 
   <th>锁标记</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>无锁</td> 
   <td>对象的hashCode、对象分代年龄、是否是偏向锁（0）</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>偏向锁</td> 
   <td>偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄、是否是偏向锁（1）</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>轻量级锁</td> 
   <td>指向栈中锁记录的指针</td> 
   <td>00</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>重量级锁</td> 
   <td>指向互斥量（重量级锁）的指针</td> 
   <td>10</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

读者们只需知道，锁的升级变化，体现在锁对象的对象头`Mark World`部分，也就是说`Mark World`的内容会随着锁升级而改变。

`Java1.5`以后为了减少获取锁和释放锁带来的性能消耗，引入了**偏向锁**和**轻量级锁**，`Synchronized`的升级顺序是 「**无锁-->偏向锁-->轻量级锁-->重量级锁，只会升级不会降级**」

### 偏向锁 ###

在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁，其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时，降低获取锁带来的消耗，提高性能（**可以通过J V M参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态**）。

线程执行同步代码或方法前，线程只需要判断对象头的`Mark Word`中线程`ID`与当前线程`ID`是否一致，如果一致直接执行同步代码或方法，具体流程如下

![图片][e7f5079dc30ff4d547496f1f483bbc78.png]

*  **无锁状态，存储内容「是否为偏向锁（`0`）」，锁标识位`01`**
    
     *  **`CAS`设置当前线程ID到`Mark Word`存储内容中**
     *  **是否为偏向锁`0` => 是否为偏向锁`1`**
     *  **执行同步代码或方法**
 *  **偏向锁状态，存储内容「是否为偏向锁（`1`）、线程ID」，锁标识位`01`**
    
     *  **对比线程`ID`是否一致，如果一致执行同步代码或方法，否则进入下面的流程**
     *  **如果不一致，`CAS`将`Mark Word`的线程`ID`设置为当前线程`ID`，设置成功，执行同步代码或方法，否则进入下面的流程**
     *  **`CAS`设置失败，证明存在多线程竞争情况，触发撤销偏向锁，当到达全局安全点，偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后在安全点的位置恢复继续往下执行。**

### 轻量级锁 ###

轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，持有锁时间也不长的场景。因为阻塞线程需要`C P U`从用户态转到内核态，代价较大，如果刚刚阻塞不久这个锁就被释放了，那这个代价就有点得不偿失，所以干脆不阻塞这个线程，让它自旋一段时间等待锁释放。

当前线程持有的锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。轻量级锁的获取主要有两种情况：① 当关闭偏向锁功能时；② 多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁。

![图片][42647af7fde01eb9b627c6296e1916e9.png]

*  **无锁状态，存储内容「是否为偏向锁（`0`）」，锁标识位`01`**
    
     *  **关闭偏向锁功能时**
     *  **`CAS`设置当前线程栈中锁记录的指针到`Mark Word`存储内容**
     *  **锁标识位设置为`00`**
     *  **执行同步代码或方法**
     *  **释放锁时，还原来`Mark Word`内容**
 *  **轻量级锁状态，存储内容「线程栈中锁记录的指针」，锁标识位`00`（存储内容的线程是指"持有轻量级锁的线程"）**
    
     *  **`CAS`设置当前线程栈中锁记录的指针到`Mark Word`存储内容，设置成功获取轻量级锁，执行同步块代码或方法，否则执行下面的逻辑**
     *  **设置失败，证明多线程存在一定竞争，线程自旋上一步的操作，自旋一定次数后还是失败，轻量级锁升级为重量级锁**
     *  **`Mark Word`存储内容替换成重量级锁指针，锁标记位`10`**

### 重量级锁 ###

轻量级锁膨胀之后，就升级为重量级锁，重量级锁是依赖操作系统的`MutexLock`（**互斥锁**）来实现的，需要从用户态转到内核态，这个成本非常高，这就是为什么`Java1.6`之前`Synchronized`效率低的原因。

升级为重量级锁时，锁标志位的状态值变为`10`，此时`Mark Word`中存储内容的是重量级锁的指针，等待锁的线程都会进入阻塞状态，下面是简化版的锁升级过程。

![图片][cd8fd76cd6477605862522bf900d9973.png]

已获授权 转载自程序猿阿星

原文链接：[https://mp.weixin.qq.com/s/esLXkYi3KiYMxYDiVXSnkA][https_mp.weixin.qq.com_s_esLXkYi3KiYMxYDiVXSnkA]

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