[Java]重学Java-synchronized

synchronized的作用

synchronized作为Java提供的锁关键字,在单进程的时候可以提供互斥的功能。
同时，由于其本身是一个关键字，它可以修饰方法、对象、类。

• 当synchronized修饰非static方法时，锁住的是当前的实例对象.
• 当synchronized修饰static方法时，锁住的是当前的Class对象.
• 当synchronized修饰一个类时，锁住的是括号内配置的Class对象.

关于这个关键字的原理，比较复杂，这里我查阅了《并发编程的艺术》这本十分经典的书和一些其他的资料.
来跟各位浅析一波

synchronized的原理浅析

谁提供了锁

这里其实是操作系统内核提供了锁的能力，sychronized是管程技术在Java领域的实现，关于管程是什么，读者可以通过以下链接去了解:

• 操作系统 · 管程（1）
• 如何理解管程

JVM中的monitorenter和monitorexit指令

首先，每个Java对象中都内置了一个Monitor对象，他是用来控制当前去抢占这个对象的锁的线程的调度者，这里为了形象去描述，来看以下的图:

monitor

假设我们把Condition这个类用synchronized修饰，那么它就会变成一个互斥访问的模块，这个由Condition所对应的Monitor来保证.

我在知乎上摘抄了一段话，来让你更好地理解Java中的Monitor对象:

zhihu

当线程进入和退出Monitor对象时，都通过monitorenter和monitorexit指令，两个指令必需成对出现。
在出现抢占现象时，Monitor处于锁定状态，这里就要将无法获得锁资源的线程暂时阻塞，并放入等待队列，当占有锁的线程解锁后，从等待队列中唤醒线程.

以下是比较好理解这个过程的一篇文章:
Java面试常见问题：Monitor对象是什么？

Mark Word

Java的Object对象包含了Object Header(对象头)、数据部分、字节对齐部分(这是为了保证对象所占的内存大小是8的倍数).

相关的知识可以去看看马士兵老师在B站的一些免费视频，感兴趣的朋友可以去看看.

Java虚拟机的对象头包括了两部分内容:

• Mark Word: 存储对象自身的运行时数据，如hashCode，Generational Gc Age.
• kclass: 存储指向方法区对象类型数据的指针

在32位的Hotspot虚拟机中,无锁的状态下Mark Word的结构是这样分布的:

mark word

锁升级

在synchronized的锁升级过程中，锁标志位会进行变更.

Mark Word存储内容	状态	锁标志位
对象哈希码+对象分代年龄	未锁定	01
偏向线程ID，偏向时间戳、对象分代年龄	偏向锁	01
指向锁记录的指针	轻量级锁	00
指向重量级锁的指针	重量级锁(膨胀)	10

这里我们来总结一下规律:

• 偏向锁: 偏向第一个进入当前对象头的线程,将对象头的锁标志位设置为"01",同时用CAS操作把获取到这个锁的线程ID记录在对象的MarkWord中,如果CAS成功，持有偏向锁的线程进入当前锁的同步块时，虚拟机不需要进行同步操作，直到另一个锁来竞争当前锁时，偏向锁结束.
  JVM默认启用，可以通过-XX:+UseBiasedLocking进行配置.

偏向锁

• 轻量级锁: 传统的重量级锁是依赖操作系统的内核资源的，在少量线程竞争同步块的时候，JVM并不会马上采用重量级锁来处理线程竞争，而是采用轻量级锁，它的过程，本质上是通过CAS来自旋抢夺Mark Word的过程,这里引用《并发编程的艺术》中的流程图:

轻量级锁

代码进入同步块时，在线程对象中开辟一个Lock Record的空间,存储当前同步块对象的Mark Word信息(Displaced Mark Word).
然后,虚拟机将使用CAS尝试将同步块对象的Mark Word更新为指向线程对象Lock Record的指针，一旦更新成功，那么这个线程就拥有了该对象的锁，此时将Mark Word的锁标志位设置为"00".
如果更新失败，虚拟机会检查同步块对象的Mark Word是否指向当前线程对象的栈帧，如果是，则说明当前对象已经持有锁了，则继续进入同步块执行代码，否则说明存在线程竞争状态，此时会进入自旋的过程，在JDK6前通过-XX:PreBlockSpin来设置自旋次数，在JDK6后引入了自适应自旋，旋转次数根据前一次与同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者状态来决定，如果自旋获取锁失败，则进行锁膨胀的过程。

• 重量级锁: 由objectMonitor实现.

7000+字图文并茂解带你深入理解java锁升级的每个细节

虚假唤醒

线程可以挂起状态变成可运行状态(唤醒)，即使该线程没有被显性调用notify()、notifyAll(),或者被中断、待超时,这就是虚假唤醒.

解决这个问题的关键就是，通过循环去判断当前线程是否允许执行:

sychronized(obj){
    while(条件不满足){
        obj.wait();
    }
    // do something
}