Java并发编程艺术 - synchronized使用和原理

synchronized属于重量级锁，实现代码同步。

Java SE1.6优化引入了偏向锁和轻量级锁，同时支持锁升级，以减少获取锁和释放锁的性能消耗。

锁的对象

synchronized可以修饰Java非空对象，常见3种形式：

• 锁当前实例
  修饰普通方法，例如:

  synchronized void add(){
  }

  那么该对象实例将会在执行该方法时阻塞，以保持同步执行，不可并行执行；但是不同对象可以并行执行。

• 锁类所以对象
  修饰静态方法、全局变量、类，例如:

  synchronized static void add(){
  }

  synchronized (Singleton.class){
  }

  该类所有操作及类实例均会在执行时阻塞，以保持同步执行，不同对象也不可并行执行。

• 锁方法块

  修饰实例或变量

  synchronized (this) {
  }

  synchronized (var) {
  }

  该类所有操作及类实例均会在执行该代码块时阻塞，以保持同步执行，不同对象也不可并行执行；但对其他代码块不产生影响。

锁的实现

synchronized由JVM实现，通过在代码块前后添加monitorenter和monitorexit指令。

线程执行到monitorenter尝试获取对象对应的monitor，即对象锁；如持有monitor锁，则对象处于锁定状态。

Java对象头

synchronized锁信息存储在对象头中。

对象头包含Mark Word，存储对象HashCode、分代年龄和锁状态。

锁状态包括轻量锁、重量锁、偏向锁和GC标记。

锁升级

锁的4种状态，由低到高：

• 无锁
• 偏向锁
• 轻量锁
• 重量锁

锁因为竞争可以由低到高升级，不可由高到低降级，以提高锁获取和释放效率。

偏向锁

大多数情况，锁是同一线程多次获取，因此引入偏向锁。

在线程获取锁后，在对象头和栈帧中记录线程ID；后续该线程进入和退出代码同步块时不需要CAS获取和释放锁。

偏向锁释放

当出现线程竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程需要释放偏向锁。

释放偏向锁时，需要等待安全点，即该线程没有正在执行的字节码。

然后暂停拥有偏向锁的线程，若该线程处于不活动状态，将对象头设置为无锁状态；若活着，则重新偏向其他线程。

偏向锁优化

偏向锁在程序启动后会延迟激活，-XX:BiasedLockingStartupDelay=0可以关闭延迟。

如果程序通常处于竞争状态，可以通过-XX:-UseBiasedLocking=false关闭偏向锁，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量锁

轻量锁加锁

JVM在执行同步代码块前，先在线程栈帧创建锁记录空间，并将对象头Mark Word复制到锁记录空间。

线程通过CAS将对象头的Mark Word替换为锁记录空间地址；若成功，则获取锁成功。

如失败，则存在锁竞争，线程通过自旋来获取锁。

轻量锁解锁

在解锁时，线程采用CAS将锁记录空间信息替换回对象头的Mark Word；若成功，则释放锁。

若失败，则说明存在锁竞争，则升级为重量级锁。

重量锁

因为自旋需要消耗CPU，所以轻量锁升级到重量锁后不能降级。

处于重量级锁状态，其他线程获取锁将被阻塞，指导当前线程释放锁并唤醒其他线程竞争。

锁比较

锁	优点	缺点	说明
偏向锁	速度快，和非同步方法执行效率差不多	出现锁竞争时，需要额外释放锁	适合一个线程并发访问同步块
轻量锁	无阻塞，响应速度快	始终得不到锁的线程会自旋消耗CPU	适合方法块执行块，追求响应速度
重量级锁	无自旋，不消耗CPU	阻塞，响应慢	适合同步块执行慢，追求吞吐量