synchronized锁原理详解

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前言(堆区对象组成部分)

在理解锁实现原理之前先了解一下Java的对象头和Monitor，在JVM中，对象是分成三部分存在的：

• 对象头
• 实例数据
• 对其填充

实例数据和对其填充与synchronized无关,对象头是我们需要关注的重点，它是synchronized实现锁的基础，因为synchronized申请锁、上锁、释放锁都与对象头有关。

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一、synchronized的使用

1.synchronize(this)

锁定实例化的对象，每个对象有其独立的对象锁，互不干扰

2.synchronize(Object o)

synchronize(Object o)，每一个object相当于一把锁，不同的锁有不同的钥匙，可以减少锁竞争

3.synchronize放在函数签名里

synchronize放在函数签名中和synchronize(this)使用的是同一对象锁，一个钥匙多把锁

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二、锁的不同状态

JDK6之前只有两个状态：无锁、有锁（重量级锁），

而在JDK6之后对synchronized进行了优化，新增了两种状态，总共就是四个状态：

• 无锁状态
• 偏向锁
• 轻量级锁
• 重量级锁

其中无锁就是一种状态了。锁的类型和状态在对象头Mark Word中都有记录，在申请锁、锁升级等过程中JVM都需要读取对象的Mark Word数据。

​ 每一个锁都对应一个monitor对象，在HotSpot虚拟机中它是由ObjectMonitor实现的（C++实现）。每个对象都存在着一个monitor与之关联，对象与其monitor之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个monitor被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

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三、synchronized 原理

Synchronized是关键字，内置语言实现
Synchronized底层使用指令码方式来控制锁的，映射成字节码指令就是增加来两个指令

monitorenter
monitorexit

当线程执行遇到monitorenter指令时会尝试获取内置锁，如果获取锁则锁计数器+1，如果没有获取锁则阻塞；当遇到monitorexit指令时锁计数器-1，如果计数器为0则释放锁。

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四、锁升级机制

上面讲到的对象头8个字节，32位

上面介绍的四种状态，并且会因实际情况进行升级，过程如下

1.无锁

对象头前25位存hashCode，4位存分代年龄，1位判断是否是偏向锁（0），2位锁标志位（01）

2.偏向锁（只偏向一个）

对象头23位线程ID，2位时间戳（超时会判断线程存不存在，若不存在，变为无锁状态），4位分代年龄，（1）（01），这次拿到锁之后，下次直接拥有锁

一句话总结它的作用：减少统一鲜橙获取锁的代价。在大多数情况下，锁不存在多线程竞争，总是由同一鲜橙多次获得，那么此时就是偏向锁。

过程: 先说无锁—>偏向锁。锁的标志位都为01。
当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁，而只需简单的测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁，如果测试成功，表示线程已经获得了锁，如果测试失败，则需要再测试下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁），如果没有设置，则使用CAS竞争锁，如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

​ 要注意的是，偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当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。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，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

3.轻量级锁（2个线程，竞争对手不多）

30位指向虚拟机栈执行代码的地址，（00）线程不会阻塞，一前一后去执行。自己去抢线程，如果始终得不到锁，自旋（50次）会消耗cpu

4.重量级锁（系统分配）

30位指向monitor地址，（10），系统分配由用户空间到了内核空间，一定会有一个人能分配到内存，竞争锁的线程会被阻塞。（多个线程排队—>objectMonitor—>wait()还想排队当notify()时再次排队，不想排队则结束）

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五、Synchronized缺点

• 无法判断锁状态，不知当前线程是否锁住 还是没有锁住
• 不可中断，如果线程迟迟拿不到一把锁，这把锁被其他线程占用，会出现改线程一直等待
• Synchronized非公平锁，任何新线程过来 与原先排队等待的线程 都有同样的机会获得锁
• 关键字实现获取锁与释放锁，中间不可控
• 当锁产生竞争时，两个和三个线程争取一把锁，没有获得到，此时改为系统主动分配，这也
• 是重量级锁由来。此时会造成 用户空间切换到内核空间

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六、Synchronized和Lock比较

• Synchronized是关键字，内置语言实现，Lock是接口。
• Synchronized在线程发生异常时会自动释放锁，因此不会发生异常死锁。Lock异常时不会自动释放锁，所以需要在finally中实现释放锁。
• Lock是可以中断锁，Synchronized是非中断锁，必须等待线程执行完成释放锁。
• Lock可以使用读锁提高多线程读效率。