synchronized原理學習筆記

synchronized 是Java併發程式設計中非常重要的角色，這裡簡單記錄對於其原理的學習

基礎內容

• synchronized 具有互斥性，可以保證只有一個執行緒可以訪問同步塊

• synchronized 修飾普通方法，鎖為當前例項物件

• synchronized 修飾靜態方法，鎖為當前類的Class物件

• synchronized 修飾同步方法塊，鎖為程式碼塊括號中填寫的物件

指令實現

• 同步程式碼塊通過monitorenter和monitorexit兩條指令控制同步程式碼塊的訪問
• 同步方法通過設定ACC_SYNCHRONIZED標誌符控制（也可以通過上述兩條指令來實現）

所有Java物件都會有一個monitor，當monitor被持有後，物件就處於鎖定狀態。當執行到monitorenter指令時，執行緒會嘗試獲取物件的monitor，而執行monitorexit後會釋放物件的monitor

Java SE 1.6為了降低鎖的獲取、釋放造成的效能損耗，增加了偏向鎖、輕量級鎖。鎖的級別由高到低依次為無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖，鎖可以升級，但不可以降級

偏向鎖

內容

鎖由同一執行緒多次獲取時，會在物件頭中記錄執行緒ID，並在之後對同步塊的訪問時，不需要進行CAS操作來加鎖、解鎖。

Mark Word狀態

Mark Word記錄於物件頭，儲存物件的hashcode或鎖資訊

這裡補充無鎖狀態的Mark Word狀態

鎖狀態	hashcode	分代年齡	是否偏向鎖	鎖標誌位
無鎖狀態	物件的hashcode	物件分代年齡	0	01

偏向鎖狀態的Mark Word狀態

鎖狀態	Thread ID	epoch	分代年齡	是否偏向鎖	鎖標誌位
偏向鎖	記錄指向的執行緒id	epoch	物件分代年齡	1	01

加鎖與解鎖

輕量級鎖

內容

輕量級鎖是通過自旋實現非阻塞同步，屬於樂觀鎖，可以膨脹為重量級鎖

Mark Word狀態

鎖狀態	記錄	鎖標誌位
輕量級鎖	指向棧中鎖記錄的指標	00

加鎖與解鎖

加鎖

解鎖

重量級鎖

內容

鎖升級為重量級鎖後，其他試圖獲取鎖的執行緒均會被阻塞，等待持有鎖的執行緒釋放鎖後，被喚醒的執行緒會開始競爭獲取鎖。

重量級鎖是一種互斥鎖，其依賴於物件內部的monitor鎖實現，在作業系統層面是通過MutexLock實現的。雖然在阻塞時不需要耗費CPU資源，但是執行緒從阻塞狀態喚醒需要作業系統完成狀態轉換（使用者態到核心態），耗時較長。

Mark Word狀態

鎖狀態	記錄	鎖標誌位
重量級鎖	指向互斥量（重量級鎖）的指標	10

比較

對比表參考《Java併發程式設計的藝術》

鎖	優點	缺點	適用場景
偏向鎖	加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執行非同步方法相比僅存在納秒級的差距	如果執行緒間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗	適用於只有一個執行緒訪問同步塊的場景
輕量級鎖	非阻塞同步，提高程式響應速度	自旋消耗CPU資源	追求響應時間，同步方法執行速度較快
重量級鎖	執行緒阻塞時不需要消耗CPU	執行緒阻塞，響應時間緩慢	追求吞吐量，同步塊執行時間較長

參考文章

1. 《Java併發程式設計的藝術》2.2 synchronized的實現原理與應用
2. 執行緒安全(上)--徹底搞懂synchronized(從偏向鎖到重量級鎖)
3. Java併發程式設計：Synchronized底層優化（偏向鎖、輕量級鎖）

如有問題，還請指出