Synchronized原理分析

1. 何时须要用Synchronized
Synchronized主要做用是在多个线程操做共享数据的时候，保证对共享数据访问的线程安全性。好比两个线程对于i这个共享变量同时作i++递增操做，那么这个时候对于i这个值来讲就存在一个不肯定性，也就是说理论上i的值应该是2，可是也多是1。而致使这个问题的缘由是线程并行执行i++操做并非原子的，存在线程安全问题。因此一般来讲解决办法是经过加锁来实现线程的串行执行，而synchronized就是java中锁的实现的关键字。
synchronized在并发编程中是一个很是重要的角色，在JDK1.6以前，它是一个重量级锁的角色，可是在JDK1.6以后对synchronized作了优化，优化之后性能有了较大的提高
2．Synchronized的使用
synchronized有三种使用方法，这三种使用方法分别对应三种不一样的做用域，代码以下：
①修饰普通同步方法
将synchronized修饰在普通同步方法，那么该锁的做用域是在当前实例对象范围内,也就是说对于 SyncDemosd=newSyncDemo();这一个实例对象sd来讲，多个线程访问access方法会有锁的限制。若是access已经有线程持有了锁，那这个线程会独占锁，直到锁释放完毕以前，其余线程都会被阻塞。
public SyncDemo{

1. Object lock =new Object();
2. //形式1
3. public synchronized void access(){
4. //
5. }
6. //形式2,做用域等同于形式1
7. public void access1(){
8. synchronized(lock){
9. //
10. }
11. }

②修饰静态同步方法
修饰静态同步方法或者静态对象、类，那么这个锁的做用范围是类级别。举个简单的例子，{SyncDemo sd=SyncDemo();SyncDemo sd2=new SyncDemo();} 两个不一样的实例sd和sd2， 若是sd这个实例访问access方法而且成功持有了锁，那么sd2这个对象若是一样来访问access方法，那么它必需要等待sd这个对象的锁释放之后，sd2这个对象的线程才能访问该方法，这就是类锁；也就是说类锁就至关于全局锁的概念，做用范围是类级别。

1. public SyncDemo{
2. static Object lock=new Object();
3. //形式1
4. public synchronized static void access(){
5. //
6. }
7. //形式2等同于形式1
8. public void access1(){
9. synchronized(lock){
10. //
11. }
12. }
13. //形式3等同于前面两种
14. public void access2(){
15. synchronzied(SyncDemo.class){
16. //
17. }
18. }
19. }

③.同步方法块
同步方法块，是范围最小的锁，锁的是synchronized括号里面配置的对象。这种锁在实际工做中使用得比较频繁，毕竟锁的做用范围越大，那么对性能的影响就越严重。

1. public SyncDemo{
2. Object lock=new Object();
3. public void access(){
4. //do something
5. synchronized(lock){
6. //
7. }
8. }
9. }

3.Synchronized的实现原理分析

synchronized实现的锁是存储在Java对象头里，什么是对象头呢？在Hotspot虚拟机中，对象在内存中的存储布局，能够分为三个区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)、对齐填充(Padding)
   当咱们在Java代码中，使用new建立一个对象实例的时候，（hotspot虚拟机）JVM层面实际上会建立一个 instanceOopDesc对象。instanceOopDesc的定义在Hotspot源码中的 instanceOop.hpp文件中，另外，arrayOopDesc的定义对应 arrayOop.hpp

从instanceOopDesc代码中能够看到 instanceOopDesc继承自oopDesc，oopDesc的定义载Hotspot源码中的 oop.hpp文件中。

在普通实例对象中，oopDesc的定义包含两个成员，分别是 _mark和 _metadata，其中_mark表示对象标记、属于markOop类型，也就是Mark World，它记录了对象和锁有关的信。_metadata表示类元信息，类元信息存储的是对象指向它的类元数据(Klass)的首地址，其中Klass表示普通指针、 _compressed_klass表示压缩类指针。

Mark Word
前面说的普通对象的对象头由两部分组成，分别是markOop以及类元信息，markOop官方称为Mark Word 。在Hotspot中，markOop的定义在 markOop.hpp文件中，代码以下

Mark word记录了对象和锁有关的信息，当某个对象被synchronized关键字当成同步锁时，那么围绕这个锁的一系列操做都和Mark word有关系。Mark Word在32位虚拟机的长度是32bit、在64位虚拟机的长度是64bit。 Mark Word里面存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
锁标志位的表示意义
1.锁标识 lock=00 表示轻量级锁
2.锁标识 lock=10 表示重量级锁
3.偏向锁标识 biased_lock=1表示偏向锁
4.偏向锁标识 biased_lock=0且锁标识=01表示无锁状态
4.锁的升级
前面提到了锁的几个概念，偏向锁、轻量级锁、重量级锁。在JDK1.6以前，synchronized是一个重量级锁，性能比较差。从JDK1.6开始，为了减小得到锁和释放锁带来的性能消耗，synchronized进行了优化，引入了 偏向锁和 轻量级锁的概念。因此从JDK1.6开始，锁一共会有四种状态，锁的状态根据竞争激烈程度从低到高分别是:无锁状态->偏向锁状态->轻量级锁状态->重量级锁状态。这几个状态会随着锁竞争的状况逐步升级。为了提升得到锁和释放锁的效率，锁能够升级可是不能降级。
偏向锁
在大多数的状况下，锁不只不存在多线程的竞争，并且老是由同一个线程得到。所以为了让线程得到锁的代价更低引入了偏向锁的概念。偏向锁的意思是若是一个线程得到了一个偏向锁，若是在接下来的一段时间中没有其余线程来竞争锁，那么持有偏向锁的线程再次进入或者退出同一个同步代码块，不须要再次进行抢占锁和释放锁的操做。偏向锁能够经过 -XX:+UseBiasedLocking开启或者关闭。
偏向锁的获取
偏向锁的获取过程很是简单，当一个线程访问同步块获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储偏向锁的线程ID，表示哪一个线程得到了偏向锁，结合前面分析的Mark Word来分析一下偏向锁的获取逻辑
1首先获取目标对象的Mark Word，根据锁的标识为和epoch去判断当前是否处于可偏向的状态
2若是为可偏向状态，则经过CAS操做将本身的线程ID写入到MarkWord，若是CAS操做成功，则表示当前线程成功获取到偏向锁，继续执行同步代码块
3若是是已偏向状态，先检测MarkWord中存储的threadID和当前访问的线程的threadID是否相等，若是相等，表示当前线程已经得到了偏向锁，则不须要再得到锁直接执行同步代码；若是不相等，则证实当前锁偏向于其余线程，须要撤销偏向锁。
偏向锁的撤销
当其余线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放偏向锁，撤销偏向锁的过程须要等待一个全局安全点(全部工做线程都中止字节码的执行)。
1首先，暂停拥有偏向锁的线程，而后检查偏向锁的线程是否为存活状态
2若是线程已经死了，直接把对象头设置为无锁状态
3若是还活着，当达到全局安全点时得到偏向锁的线程会被挂起，接着偏向锁升级为轻量级锁，而后唤醒被阻塞在全局安全点的线程继续往下执行同步代码
轻量级锁
前面咱们知道，当存在超过一个线程在竞争同一个同步代码块时，会发生偏向锁的撤销。偏向锁撤销之后对象会可能会处于两种状态
1.一种是不可偏向的无锁状态，简单来讲就是已经得到偏向锁的线程已经退出了同步代码块，那么这个时候会撤销偏向锁，并升级为轻量级锁
2.一种是不可偏向的已锁状态，简单来讲就是已经得到偏向锁的线程正在执行同步代码块，那么这个时候会升级到轻量级锁而且被原持有锁的线程得到锁
轻量级锁加锁
1.JVM会先在当前线程的栈帧中建立用于存储锁记录的空间(LockRecord)
2.将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，称为Displaced Mark Word.
3.线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针
4.若是替换成功，表示当前线程得到轻量级锁，若是失败，表示存在其余线程竞争锁，那么当前线程会尝试使用CAS来获取锁，当自旋超过指定次数(能够自定义)时仍然没法得到锁，此时锁会膨胀升级为重量级锁
轻量锁解锁
1.尝试CAS操做将所记录中的Mark Word替换回到对象头中
2.若是成功，表示没有竞争发生
3.若是失败，表示当前锁存在竞争，锁会膨胀成重量级锁
一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于重量级锁状态，其余线程尝试获取锁时，都会被阻塞，也就是 BLOCKED状态。当持有锁的线程释放锁以后会唤醒这些现场，被唤醒以后的线程会进行新一轮的竞争
重量级锁
重量级锁依赖对象内部的monitor锁来实现，而monitor又依赖操做系统的MutexLock（互斥锁），假设Mutex变量的值为1，表示互斥锁空闲，这个时候某个线程调用lock能够得到锁，而Mutex的值为0表示互斥锁已经被其余线程得到，其余线程调用lock只能挂起等待。
为何重量级锁的开销比较大呢？缘由是当系统检查到是重量级锁以后，会把等待想要获取锁的线程阻塞，被阻塞的线程不会消耗CPU，可是阻塞或者唤醒一个线程，都须要经过操做系统来实现，也就是至关于从用户态转化到内核态，而转化状态是须要消耗时间的。