synchronized关键字的原理
文章已同步发表于微信公众号JasonGaoH，synchronized关键字的原理
synchronized关键字
什么是synchronized
JDK官网对synchronized关键字有个比较权威的解释。
Synchronized keyword enable a simple strategy for preventing thread interference and memory consistency errors: if an object is visible to more than one thread, all reads or writes to that object's variables ard done through synchronized methods.
上述解释的意思是：synchronized关键字可以实现一个简单的策略来防止线程干扰和内存一致性错误，如果一个对象对多个线程是可见的，那么对该对象的所有读或者写都将通过同步的方式来进行，具体表现如下：
- synchronized关键字提供了一种锁的机制，能够确保共享变量的互斥访问，从而防止数据不一致的问题出现。
- synchronized关键字包括monitor enter和monitor exit两个JVM指令，它能够保证在任何时候任何线程执行到monitor enter成功之前都必须从主内存中获取数据，而不是缓存中，在monitor exit运行成功之后，共享变量被更新后的值必须刷入主内存。
- synchronized的执行严格遵守java happens-before 规则，一个monitor exit指令之前必定要有一个monitor enter。
synchronized关键字的用法
synchronized可以用于对代码块或方法进行修饰，而不能够用于对class以及变量进行修饰。
- 同步方法
public synchronized void sync() {
//...
}
- 同步方法块
private final Object lock = new Object();
public void sync() {
synchronized(lock) {
//...
}
}
关于同步代码块和同步方法的区别之前写过一个关于这个对比，具体可以看这篇文章。
java中的synchronized（同步代码块和同步方法的区别）
深入分析Synchronized关键字
线程堆栈分析
synchronized关键字提供了一种互斥机制，也就是说在同一时刻，只能有一个线程访问同步资源。
看下面这段程序：
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class TestSync {
private final static Object lock = new Object();
public void accessResource() {
synchronized(lock) {
try {
TimeUnit.MINUTES.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
final TestSync sync = new TestSync();
for(int i =0;i<5;i++) {
new Thread(){
@Override
public void run() {
sync.accessResource();
}
}.start();
}
}
}
上面的代码定义一个方法accessResource，并且使用synchronized来对代码进行同步，同时定义了5个线程调用accessResource方法，由于synchronized的互斥性，只能有一个线程获得lock的monitor锁，其他线程只能进入阻塞状态，等待获取lock的monitor锁。
针对这个monitor锁我们如何从线程堆栈信息来看呢？
其实，jstack命令在Java中可以用来打印进程的线程堆栈信息。
我们来运行这个Java程序，在终端通过top命令查看运行起来的Java程序的进程id，然后执行jstack ‘pid’。
我们来看下打印出来的信息：
jstack_print_info.png
通过截图可以看到Thread-0持有monitor<0x00000007955f2130>的锁并且处于休眠状态中，而其他几个线程则是处于BLOCKED状态中，它们是在等待着获取monitor<0x00000007955f2130>的锁。
JVM指令分析
从JVM指令角度再来分析synchronized关键字。
我们可以使用javap这个命令来对上面这个TestSync类生成的class字节码进行反编译，得到下面的JVM指令。
Compiled from "TestSync.java"
public class main.TestSync {
static {};
Code:
0: new #3 // class java/lang/Object
3: dup
4: invokespecial #10 // Method java/lang/Object."<init>":()V
7: putstatic #13 // Field lock:Ljava/lang/Object;
10: return
public main.TestSync();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #10 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public void accessResource();
Code:
0: getstatic #13 // Field lock:Ljava/lang/Object;
3: dup
4: astore_1
5: monitorenter
6: getstatic #20 // Field java/util/concurrent/TimeUnit.MINUTES:Ljava/util/concurrent/TimeUnit;
9: ldc2_w #26 // long 10l
12: invokevirtual #28 // Method java/util/concurrent/TimeUnit.sleep:(J)V
15: goto 23
18: astore_2
19: aload_2
20: invokevirtual #32 // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
23: aload_1
24: monitorexit
25: goto 31
28: aload_1
29: monitorexit
30: athrow
31: return
Exception table:
from to target type
6 15 18 Class java/lang/InterruptedException
6 25 28 any
28 30 28 any
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: new #1 // class main/TestSync
3: dup
4: invokespecial #44 // Method "<init>":()V
7: astore_1
8: iconst_0
9: istore_2
10: goto 27
13: new #45 // class main/TestSync$1
16: dup
17: aload_1
18: invokespecial #47 // Method main/TestSync$1."<init>":(Lmain/TestSync;)V
21: invokevirtual #50 // Method main/TestSync$1.start:()V
24: iinc 2, 1
27: iload_2
28: iconst_5
29: if_icmplt 13
32: return
}
从上面的指令中可以看到，在accessResource()方法中，先后出现了一个monitor enter和两个monitor exit。
我们主要选取accessResource()这部分代码块来重点分析。
public void accessResource();
Code:
0: getstatic #13 //①获取lock
3: dup
4: astore_1
5: monitorenter //②执行monitorenter JVM指令
6: getstatic #20 // Field java/util/concurrent/TimeUnit.MINUTES:Ljava/util/concurrent/TimeUnit;
9: ldc2_w #26 // long 10l
12: invokevirtual #28 // Method java/util/concurrent/TimeUnit.sleep:(J)V
15: goto 23 //③跳转到23行
18: astore_2
19: aload_2
20: invokevirtual #32 // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
23: aload_1 //④
24: monitorexit //⑤ 执行monitor exit JVM指令
25: goto 31
28: aload_1
29: monitorexit
30: athrow
31: return
首先①获取到lock引用，然后执行②monitorenter JVM指令，休眠结束后goto至③monitorexit的位置
（astore_n表示存储引用到本地变量表；aload_n表示从本地变量表加载应用；getstatic表示从class中获取静态属性）
monitorenter
每一个对象都与一个monitor相关联，一个monitor的lock的锁只能被一个线程在同一时间获得，在一个线程尝试获得与对象关联的monitor的所有权时会发生如下的几件事情。
- 如果monitor的计数器为0，则意味着该monitor的lock还没有被获得，，某个线程获得之后将立即对该计数器加一，从此该线程就是这个monitor的所有者了。
- 如果一个已经拥有该线程所有权的线程重入，则会导致monitor的计数器再次累加。
- 如果monitor已经被其他线程所拥有，则其他线程尝试获取该monitor所有权时，会被陷入阻塞状态直到monitor变为0，才能再次尝试获取对monitor的所有权。
monitorexit
释放对monitor的所有权，想要释放某个对象关联的monitor所有权的前提是，你曾经拥有了所有权。释放monitor所有权的过程比较简单，就是将monitor的计数器减一，如果计数器的结果为0，则意味着该线程不在拥有对该monitor的所有权，通俗地讲就是解锁。
synchronized的锁优化
在虚拟机规范对monitorenter和monitorexit的行为描述中，有两点是需要特别注意的，首先，synchronized同步块对于同一条线程是可重入的，不会出现自己锁死自己的问题。其次，同步块在已进入的线程执行完以前，会阻塞后面其他线程的进入。
Java的线程是映射到操作系统线程上的，要阻塞或唤醒一个线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态切到核心态，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间，对于简单的同步块（如被synchronized修饰的getter或setter方法），状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长。所以synchronized是Java语言中的一个重量级的操作。
其实大多数时候，共享数据的锁定状态一般只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程其实并不值得。
如果物理机上有多个处理器，可以让多个线程同时执行的话。我们就可以让后面来的线程“稍微等一下”，但是并不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程会不会很快释放锁。这个“稍微等一下”的过程就是自旋。
自旋锁在JDK 1.4中已经引入，在JDK 1.6中默认开启。只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快，因为上面刚说到，线程的状态切换会耗费很多CPU时间。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段，适合使用自旋锁。
