设计同步器的意义

多线程编程中，有可能会出现多个线程同时访问同一个共享、可变资源的情况，这个资源我们称之其为临界资源；这种资源可能是：对象、变量、文件等

特点

• 可变：资源可以在其生命周期内被修改
• 共享：资源可以由多个线程同时访问

问题

由于线程执行的过程是不可控的，所以需要采用同步机制来协同对对象可变状态的访问！

本质

同步器的本质就是加锁

目的

序列化访问临界资源，即同一时刻只能有一个线程访问临界资源(同步互斥访问)

区别

当多个线程执行一个方法时，该方法内部的局部变量并不是临界资源，因为这些局部变量是在每个线程的私有栈中，因此不具有共享性，不会导致线程安全问题

如何解决线程并发安全问题？

同步互斥访问

• 所有的并发模式在解决线程安全问题时，采用的方案都是序列化访问临界资源。即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源

方案

• synchronized
• Lock

synchronized原理

synchronized内置锁是一种对象锁(锁的是对象而非引用)，作用粒度是对象，可以用来实现对临界资源的同步互斥访问，是可重入的

加锁方式

• 1、同步实例方法，锁是当前实例对象
• 2、同步类方法，锁是当前类对象
• 3、同步代码块，锁是括号里面的对象

synchronized底层原理

synchronized是基于JVM内置锁实现，通过内部对象Monitor(监视器锁)实现，基于进入与退出Monitor对象实现方法与代码块同步，监视器锁的实现依赖底层操作系统的Mutex lock（互斥锁）实现，它是一个重量级锁性能较低。当然，JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。

synchronized关键字被编译成字节码后会被翻译成monitorenter 和 monitorexit 两条指令分别在同步块逻辑代码的起始位置 与结束位置

每个同步对象都有一个自己的Monitor(监视器锁)，加锁过程如下图所示：

什么是monitor？

可以把它理解为 一个同步工具，也可以描述为 一种同步机制，它通常被 描述为一个对象。与一切皆对象一样，所有的Java对象是天生的Monitor，每一个Java对象都有成为Monitor的潜质，因为在Java的设计中 ，每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。也就是通常说Synchronized的对象锁，MarkWord锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor是由ObjectMonitor实现的；其主要数据结构如右（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）

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 ;
  }

• ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表（ 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象 ），_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时
• 1、首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor后，进入 _Owner区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程，同时monitor中的计数器count加1；
• 2、若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒；
• 3、若当前线程执行完毕，也将释放monitor（锁）并复位count的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)；

提示

同时，Monitor对象存在于每个Java对象的对象头Mark Word中（存储的指针的指向），Synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时notify/notifyAll/wait等方法会使用到Monitor锁对象，所以必须在同步代码块中使用。监视器Monitor有两种同步方式：互斥与协作。多线程环境下线程之间如果需要共享数据，需要解决互斥访问数据的问题，监视器可以确保监视器上的数据在同一时刻只会有一个线程在访问。

Monitor监视器锁

任何一个对象都有一个Monitor与之关联，当且一个Monitor被持有后，它将处于锁定状态。Synchronized在JVM里的实现都是 基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，虽然具体实现细节不一样，但是都可以通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现。

monitorenter

每个对象都是一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权

• 如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者；
• 如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1；
• 如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权；

monitorexit

执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者

• monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权

提示

通过上面两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

例子

package it.yg.juc.sync;
public class SynchronizedMethod {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

反编译结果：

1. 从编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexit 来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED 标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的
2. 当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。
3. 两种同步方式本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。两个指令的执行是JVM通过调用操作系统的互斥原语mutex来实现，被阻塞的线程会被挂起、等待重新调度，会导致“用户态和内核态”两个态之间来回切换，对性能有较大影响。

对象头

synchronized(优化)锁的膨胀升级过程

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级。从JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁的，可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁。

锁的膨胀升级细节：

偏向锁

偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞 争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心 思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时， 无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提高程序的性能。所以，对于没有锁竞争 的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就 失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的 是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

• 默认开启偏向锁 开启偏向锁：-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking

轻量级锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时 Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞 争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场 合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

• 当偏向线程ID存在，当前访问线程ID与偏向线程ID不一致的时候进入轻量级锁（资源不存在争抢）

自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情 况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要 从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线 程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或 100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是 自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时 进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以 节省毫无意义的请求锁时间，如下StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并 且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

锁消除的依据是逃逸分析的 数据支持

• 锁消除，前提是java必须运行在server模式（server模式会比client模式作更多的优化） 同时必须开启逃逸分析 :-XX:+DoEscapeAnalysis 开启逃逸分析 -XX:+EliminateLocks 表示开启锁消除。

逃逸分析

• 使用逃逸分析，编译器可以对代码做优化

  一、同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。

  二、将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分 配。

  三、分离对象或标量替换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存， 而是存储在CPU寄存器中。

锁粗化

锁粗化是指，将多个连续的加锁、解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。

我只听说锁“细化”可以提高程序的执行效率，也就是将锁的范围尽可能缩小，这样在锁竞争时，等待获取锁的线程才能更早的获取锁，从而提高程序的运行效率，但锁粗化是如何提高性能的呢？

没错，锁细化的观点在大多数情况下都是成立了，但是一系列连续加锁和解锁的操作，也会导致不必要的性能开销，从而影响程序的执行效率，比如这段代码：

public String method() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
  // 伪代码：加锁操作
  sb.append( + i);
  // 伪代码：解锁操作
  }
  return sb.toString();
}

这里我们不考虑编译器优化的情况，如果在 for 循环中定义锁，那么锁的范围很小，但每次 for 循环都需要进行加锁和释放锁的操作，性能是很低的；但如果我们直接在 for 循环的外层加一把锁，那么对于同一个对象操作这段代码的性能就会提高很多，

如下伪代码所示：

public String method() {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
// 伪代码：加锁操作
for (int i = 0; i < 10; i++) {
	sb.append( + i);
}
// 伪代码：解锁操作
return sb.toString();
}

锁粗化的作用

如果检测到同一个对象执行了连续的加锁和解锁的操作，则会将这一系列操作合并成一个更大的锁，从而提升程序的执行效率。

什么时候自旋锁升级到重量级锁？

1. 有线程超过10次自旋（可通过 -XX:PreBlockSpin控制）
2. 自旋线程数超过CPU核数的一半
3. JDK 1.6之后 会有JVM自己算法控制

有自旋锁还需要重量级锁吗？

自旋是占用CPU资源的，如果锁定的时间长，或者自旋线程多，CPU会被大量占用

重量级锁有队列，所有拿不到锁的进入队列（waitSet），不用占用CPU资源

偏向锁是否一定比自旋锁效率高？

不一定，特别是在知道会有多线程竞争下，偏向锁肯定会发生撤销资源，所以，在争用会涉及到会发生锁的情况，用偏向未必有高效率。这时使用轻量级锁（自旋锁）。

是不是所有的对象和数组都会在堆内存分配空间？

不一定

在Java代码运行时，通过JVM参数可指定是否开启逃逸分析， -XX:+DoEscapeAnalysis ： 表示开启逃逸分析 -XX:-DoEscapeAnalysis ： 表示关闭逃逸分析。从jdk 1.7开始已经默认开启逃逸分析，如需关闭，需要指定-XX:-DoEscapeAnalysis

public class T0_ObjectStackAlloc {
    /**
     * 进行两种测试
     * 关闭逃逸分析，同时调大堆空间，避免堆内GC的发生，如果有GC信息将会被打印出来
     * VM运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 开启逃逸分析
     * VM运行参数：-Xmx4G -Xms4G -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     *
     * 执行main方法后
     * jps 查看进程
     * jmap -histo 进程ID
     *
     */
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 500000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        //查看执行时间
        System.out.println("cost-time " + (end - start) + " ms");
        try {
            Thread.sleep(100000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
    }

    private static TulingStudent alloc() {
        //Jit对编译时会对代码进行 逃逸分析
        //并不是所有对象存放在堆区，有的一部分存在线程栈空间
        TulingStudent student = new TulingStudent();
        return student;
    }

    static class TulingStudent {
        private String name;
        private int age;
    }
}