Java 并发编程之synchronized
一、前言
在并发编程中，多个线程访问同一个共享资源时，我们必须考虑如何维护数据的原子性。在JDK1.5之前，Java是依靠Synchronized关键字实现锁功能来做到这点的。Synchronized是JVM实现的一种内置锁，锁的获取和释放是由JVM隐式实现。
到了JDK1.5版本，并发包中新增了Lock接口来实现锁功能，它提供了与Synchronized关键字类似的同步功能，只是在使用时需要显式获取和释放锁。
Lock同步锁是基于Java实现的，而Synchronized是基于底层操作系统的Mutex Lock实现的，每次获取和释放锁操作都会带来用户态和内核态的切换，从而增加系统性能开销。因此，在锁竞争激烈的情况下，Synchronized同步锁在性能上就表现得非常糟糕，它也常被大家称为重量级锁。
特别是在单个线程重复申请锁的情况下，JDK1.5版本的Synchronized锁性能要比Lock的性能差很多。例如，在Dubbo基于Netty实现的通信中，消费端向服务端通信之后，由于接收返回消息是异步，所以需要一个线程轮询监听返回信息。而在接收消息时，就需要用到锁来确保request session的原子性。如果我们这里使用Synchronized同步锁，那么每当同一个线程请求锁资源时，都会发生一次用户态和内核态的切换。
到了JDK1.6版本之后，Java对Synchronized同步锁做了充分的优化，甚至在某些场景下，它的性能已经超越了Lock同步锁。这一讲我们就来看看Synchronized同步锁究竟是通过了哪些优化，实现了性能地提升。
二、synchronized 实现原理
了解Synchronized同步锁优化之前，我们先来看看它的底层实现原理，这样可以帮助我们更好地理解后面的内容。
通常Synchronized实现同步锁的方式有两种，一种是修饰方法，一种是修饰方法块。以下就是通过Synchronized实现的两种同步方法加锁的方式：
// 关键字在实例方法上，锁为当前实例
public synchronized void method1() {
// code
}
// 关键字在代码块上，锁为括号里面的实例对象
public void method2() {
Object o = new Object();
synchronized (o) {
// code
}
}
下面我们可以通过反编译看下具体字节码的实现，运行以下反编译命令，就可以输出我们想要的字节码：
javac -encoding UTF-8 SyncTest.java //先运行编译class文件命令
javap -v SyncTest.class //再通过javap打印出字节文件
通过输出的字节码，你会发现：Synchronized在修饰同步代码块时，是由 monitorenter和monitorexit指令来实现同步的。进入monitorenter 指令后，线程将持有Monitor对象，退出monitorenter指令后，线程将释放该Monitor对象。
public void method2();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: new #2
3: dup
4: invokespecial #1
7: astore_1
8: aload_1
9: dup
10: astore_2
11: monitorenter //monitorenter 指令
12: aload_2
13: monitorexit //monitorexit 指令
14: goto 22
17: astore_3
18: aload_2
19: monitorexit
20: aload_3
21: athrow
22: return
Exception table:
from to target type
12 14 17 any
17 20 17 any
LineNumberTable:
line 18: 0
line 19: 8
line 21: 12
line 22: 22
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 255 /* full_frame */
offset_delta = 17
locals = [ class com/demo/io/SyncTest, class java/lang/Object, class java/lang/Object ]
stack = [ class java/lang/Throwable ]
frame_type = 250 /* chop */
offset_delta = 4
再来看以下同步方法的字节码，你会发现：当Synchronized修饰同步方法时，并没有发现monitorenter和monitorexit指令，而是出现了一个ACC_SYNCHRONIZED标志。
这是因为JVM使用了ACC_SYNCHRONIZED访问标志来区分一个方法是否是同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查该方法是否被设置ACC_SYNCHRONIZED访问标志。如果设置了该标志，执行线程将先持有Monitor对象，然后再执行方法。在该方法运行期间，其它线程将无法获取到该Mointor对象，当方法执行完成后，再释放该Monitor对象。
public synchronized void method1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED // ACC_SYNCHRONIZED 标志
Code:
stack=0, locals=1, args_size=1
0: return
LineNumberTable:
line 8: 0
通过以上的源码，我们再来看看Synchronized修饰方法是怎么实现锁原理的。
JVM中的同步是基于进入和退出管程（Monitor）对象实现的。每个对象实例都会有一个Monitor，Monitor可以和对象一起创建、销毁。Monitor是由ObjectMonitor实现，而ObjectMonitor是由C++的ObjectMonitor.hpp文件实现，如下所示：
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0; //记录个数
_waiters = 0,
_recursions = 0;
_object = NULL;
_owner = NULL;
_WaitSet = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
}
当多个线程同时访问一段同步代码时，多个线程会先被存放在ContentionList和_EntryList 集合中，处于block状态的线程，都会被加入到该列表。接下来当线程获取到对象的Monitor时，Monitor是依靠底层操作系统的Mutex Lock来实现互斥的，线程申请Mutex成功，则持有该Mutex，其它线程将无法获取到该Mutex，竞争失败的线程会再次进入ContentionList被挂起。
如果线程调用wait() 方法，就会释放当前持有的Mutex，并且该线程会进入WaitSet集合中，等待下一次被唤醒。如果当前线程顺利执行完方法，也将释放Mutex。
看完上面的讲解，相信你对同步锁的实现原理已经有个深入的了解了。总结来说就是，同步锁在这种实现方式中，因Monitor是依赖于底层的操作系统实现，存在用户态与内核态之间的切换，所以增加了性能开销。
三、锁升级优化
为了提升性能，JDK1.6引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁概念，来减少锁竞争带来的上下文切换，而正是新增的Java对象头实现了锁升级功能。
当Java对象被Synchronized关键字修饰成为同步锁后，围绕这个锁的一系列升级操作都将和Java对象头有关。
1.1 Java对象头
在JDK1.6 JVM中，对象实例在堆内存中被分为了三个部分：对象头、实例数据和对齐填充。其中Java对象头由Mark Word、指向类的指针以及数组长度三部分组成。
Mark Word记录了对象和锁有关的信息。Mark Word在64位JVM中的长度是64bit，我们可以一起看下64位JVM的存储结构是怎么样的。如下图所示：
锁升级功能主要依赖于Mark Word中的锁标志位和释放偏向锁标志位，Synchronized同步锁就是从偏向锁开始的，随着竞争越来越激烈，偏向锁升级到轻量级锁，最终升级到重量级锁。
所以目前锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁状态只能升级不能降级。
下面我们就沿着这条优化路径去看下具体的内容。
1.2 无锁
无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。
无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。
1.3 偏向锁
偏向锁是指JVM认为只有某个线程才会执行同步代码（没有竞争的环境）。
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能够提高性能。
当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。
偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。
偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM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。
1.4 轻量级锁
是指当锁是偏向锁的时候，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。
在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。
如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。
若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。
1.4 重量级锁
升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。
整体的锁状态升级流程如下：
综上，偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。
只有一个线程进入临界区就是偏向锁；多个线程交替进入临界区就是轻量级锁；多线程同时进入临界区就是重量级锁。
四、动态编译实现锁消除和锁粗化
除了锁升级优化，Java还使用了编译器对锁进行优化。JIT 编译器在动态编译同步块的时候，借助了一种被称为逃逸分析的技术，来判断同步块使用的锁对象是否只能够被一个线程访问，而没有被发布到其它线程。
确认是的话，那么 JIT 编译器在编译这个同步块的时候不会生成 synchronized 所表示的锁的申请与释放的机器码，即消除了锁的使用。在 Java7 之后的版本就不需要手动配置了，该操作可以自动实现。
锁粗化同理，就是在 JIT 编译器动态编译时，如果发现几个相邻的同步块使用的是同一个锁实例，那么 JIT 编译器将会把这几个同步块合并为一个大的同步块，从而避免一个线程“反复申请、释放同一个锁”所带来的性能开销。
五、减小锁粒度
除了锁内部优化和编译器优化之外，我们还可以通过代码层来实现锁优化，减小锁粒度就是一种惯用的方法。
当我们的锁对象是一个数组或队列时，集中竞争一个对象的话会非常激烈，锁也会升级为重量级锁。我们可以考虑将一个数组和队列对象拆成多个小对象，来降低锁竞争，提升并行度。
最经典的减小锁粒度的案例就是JDK1.8之前实现的ConcurrentHashMap版本。我们知道，HashTable是基于一个数组+链表实现的，所以在并发读写操作集合时，存在激烈的锁资源竞争，也因此性能会存在瓶颈。而ConcurrentHashMap就很很巧妙地使用了分段锁Segment来降低锁资源竞争，如下图所示：
六、总结
JVM在JDK1.6中引入了分级锁机制来优化Synchronized，当一个线程获取锁时，首先对象锁将成为一个偏向锁，这样做是为了优化同一线程重复获取导致的用户态与内核态的切换问题；其次如果有多个线程竞争锁资源，锁将会升级为轻量级锁，它适用于在短时间内持有锁，且分锁有交替切换的场景；轻量级锁还使用了自旋锁来避免线程用户态与内核态的频繁切换，大大地提高了系统性能；但如果锁竞争太激烈了，那么同步锁将会升级为重量级锁。
减少锁竞争，是优化Synchronized同步锁的关键。我们应该尽量使Synchronized同步锁处于轻量级锁或偏向锁，这样才能提高Synchronized同步锁的性能；通过减小锁粒度来降低锁竞争也是一种最常用的优化方法；另外我们还可以通过减少锁的持有时间来提高Synchronized同步锁在自旋时获取锁资源的成功率，避免Synchronized同步锁升级为重量级锁。