一文帶你掌握 Synchronized 關鍵字使用、底層原理、底層優化

Synchronized 關鍵字使用、底層原理、JDK1.6 之後的底層優化以及 和ReenTrantLock 的對比

synchronized關鍵字最主要的三種使用方式的總結

• 修飾實例方法，作用於當前對象實例加鎖，進入同步代碼前要獲得當前對象實例的鎖
• 修飾靜態方法，作用於當前類對象加鎖，進入同步代碼前要獲得當前類對象的鎖 。也就是給當前類加鎖，會作用於類的所有對象實例，因為靜態成員不屬於任何一個實例對象，是類成員（ static 表明這是該類的一個靜態資源，不管new了多少個對象，只有一份，所以對該類的所有對象都加了鎖）。所以如果一個線程A調用一個實例對象的非靜態 synchronized 方法，而線程B需要調用這個實例對象所屬類的靜態 synchronized 方法，是允許的，不會發生互斥現象，因為訪問靜態 synchronized 方法佔用的鎖是當前類的鎖，而訪問非靜態 synchronized 方法佔用的鎖是當前實例對象鎖。
• 修飾代碼塊，指定加鎖對象，對給定對象加鎖，進入同步代碼庫前要獲得給定對象的鎖。 和 synchronized 方法一樣，synchronized(this)代碼塊也是鎖定當前對象的。synchronized 關鍵字加到 static 靜態方法和 synchronized(class)代碼塊上都是是給 Class 類上鎖。這裡再提一下：synchronized關鍵字加到非 static 靜態方法上是給對象實例上鎖。另外需要注意的是：儘量不要使用 synchronized(String a) 因為JVM中，字符串常量池具有緩衝功能！

下面我已一個常見的面試題為例講解一下 synchronized 關鍵字的具體使用。

面試中面試官經常會說：“單例模式瞭解嗎？來給我手寫一下！給我解釋一下雙重檢驗鎖方式實現單利模式的原理唄！”

雙重校驗鎖實現對象單例（線程安全）

public class Singleton {
 private volatile static Singleton uniqueInstance;
 private Singleton() {
 }
 public static Singleton getUniqueInstance() {
 //先判斷對象是否已經實例過，沒有實例化過才進入加鎖代碼
 if (uniqueInstance == null) {
 //類對象加鎖
 synchronized (Singleton.class) {
 if (uniqueInstance == null) {
 uniqueInstance = new Singleton();
 }
 }
 }
 return uniqueInstance;
 }
}

另外，需要注意 uniqueInstance 採用 volatile 關鍵字修飾也是很有必要。

uniqueInstance 採用 volatile 關鍵字修飾也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 這段代碼其實是分為三步執行：

1. 為 uniqueInstance 分配內存空間
2. 初始化 uniqueInstance
3. 將 uniqueInstance 指向分配的內存地址

但是由於 JVM 具有指令重排的特性，執行順序有可能變成 1->3->2。指令重排在單線程環境下不會出先問題，但是在多線程環境下會導致一個線程獲得還沒有初始化的實例。例如，線程 T1 執行了 1 和 3，此時 T2 調用 getUniqueInstance() 後發現 uniqueInstance 不為空，因此返回 uniqueInstance，但此時 uniqueInstance 還未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保證在多線程環境下也能正常運行。

synchronized 關鍵字底層原理總結

synchronized 關鍵字底層原理屬於 JVM 層面。

① synchronized 同步語句塊的情況

public class SynchronizedDemo {
 public void method() {
 synchronized (this) {
 System.out.println("synchronized 代碼塊");
 }
 }
}
 

通過 JDK 自帶的 javap 命令查看 SynchronizedDemo 類的相關字節碼信息：首先切換到類的對應目錄執行 javac SynchronizedDemo.java 命令生成編譯後的 .class 文件，然後執行javap -c -s -v -l SynchronizedDemo.class。

synchronized 關鍵字原理

從上面我們可以看出：

synchronized 同步語句塊的實現使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit 指令則指明同步代碼塊的結束位置。 當執行 monitorenter 指令時，線程試圖獲取鎖也就是獲取 monitor(monitor對象存在於每個Java對象的對象頭中，synchronized 鎖便是通過這種方式獲取鎖的，也是為什麼Java中任意對象可以作為鎖的原因) 的持有權.當計數器為0則可以成功獲取，獲取後將鎖計數器設為1也就是加1。相應的在執行 monitorexit 指令後，將鎖計數器設為0，表明鎖被釋放。如果獲取對象鎖失敗，那當前線程就要阻塞等待，直到鎖被另外一個線程釋放為止。

② synchronized 修飾方法的的情況

public class SynchronizedDemo2 {
 public synchronized void method() {
 System.out.println("synchronized 方法");
 }
}

synchronized 關鍵字原理

synchronized 修飾的方法並沒有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的確實是 ACC_SYNCHRONIZED 標識，該標識指明瞭該方法是一個同步方法，JVM 通過該 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標誌來辨別一個方法是否聲明為同步方法，從而執行相應的同步調用。

在 Java 早期版本中，synchronized 屬於重量級鎖，效率低下，因為監視器鎖（monitor）是依賴於底層的操作系統的 Mutex Lock 來實現的，Java 的線程是映射到操作系統的原生線程之上的。如果要掛起或者喚醒一個線程，都需要操作系統幫忙完成，而操作系統實現線程之間的切換時需要從用戶態轉換到內核態，這個狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高，這也是為什麼早期的 synchronized 效率低的原因。慶幸的是在 Java 6 之後 Java 官方對從 JVM 層面對synchronized 較大優化，所以現在的 synchronized 鎖效率也優化得很不錯了。JDK1.6對鎖的實現引入了大量的優化，如自旋鎖、適應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級鎖等技術來減少鎖操作的開銷。

JDK1.6 之後的底層優化

JDK1.6 對鎖的實現引入了大量的優化，如偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖、適應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化等技術來減少鎖操作的開銷。

鎖主要存在四中狀態，依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態、重量級鎖狀態，他們會隨著競爭的激烈而逐漸升級。注意鎖可以升級不可降級，這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

①偏向鎖

引入偏向鎖的目的和引入輕量級鎖的目的很像，他們都是為了沒有多線程競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用操作系統互斥量產生的性能消耗。但是不同是：輕量級鎖在無競爭的情況下使用 CAS 操作去代替使用互斥量。而偏向鎖在無競爭的情況下會把整個同步都消除掉。

偏向鎖的“偏”就是偏心的偏，它的意思是會偏向於第一個獲得它的線程，如果在接下來的執行中，該鎖沒有被其他線程獲取，那麼持有偏向鎖的線程就不需要進行同步！關於偏向鎖的原理可以查看《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》第二版的13章第三節鎖優化。

但是對於鎖競爭比較激烈的場合，偏向鎖就失效了，因為這樣場合極有可能每次申請鎖的線程都是不相同的，因此這種場合下不應該使用偏向鎖，否則會得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗後，並不會立即膨脹為重量級鎖，而是先升級為輕量級鎖。

② 輕量級鎖

倘若偏向鎖失敗，虛擬機並不會立即升級為重量級鎖，它還會嘗試使用一種稱為輕量級鎖的優化手段(1.6之後加入的)。輕量級鎖不是為了代替重量級鎖，它的本意是在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用操作系統互斥量產生的性能消耗，因為使用輕量級鎖時，不需要申請互斥量。另外，輕量級鎖的加鎖和解鎖都用到了CAS操作。關於輕量級鎖的加鎖和解鎖的原理可以查看《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》第二版的13章第三節鎖優化。

輕量級鎖能夠提升程序同步性能的依據是“對於絕大部分鎖，在整個同步週期內都是不存在競爭的”，這是一個經驗數據。如果沒有競爭，輕量級鎖使用 CAS 操作避免了使用互斥操作的開銷。但如果存在鎖競爭，除了互斥量開銷外，還會額外發生CAS操作，因此在有鎖競爭的情況下，輕量級鎖比傳統的重量級鎖更慢！如果鎖競爭激烈，那麼輕量級將很快膨脹為重量級鎖！

輕量級鎖失敗後，虛擬機為了避免線程真實地在操作系統層面掛起，還會進行一項稱為自旋鎖的優化手段。

互斥同步對性能最大的影響就是阻塞的實現，因為掛起線程/恢復線程的操作都需要轉入內核態中完成（用戶態轉換到內核態會耗費時間）。

一般線程持有鎖的時間都不是太長，所以僅僅為了這一點時間去掛起線程/恢復線程是得不償失的。 所以，虛擬機的開發團隊就這樣去考慮：“我們能不能讓後面來的請求獲取鎖的線程等待一會而不被掛起呢？看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖”。為了讓一個線程等待，我們只需要讓線程執行一個忙循環（自旋），這項技術就叫做自旋。

自旋鎖在 JDK1.6 之前其實就已經引入了，不過是默認關閉的，需要通過--XX:+UseSpinning參數來開啟。JDK1.6及1.6之後，就改為默認開啟的了。需要注意的是：自旋等待不能完全替代阻塞，因為它還是要佔用處理器時間。如果鎖被佔用的時間短，那麼效果當然就很好了！反之，相反！自旋等待的時間必須要有限度。如果自旋超過了限定次數任然沒有獲得鎖，就應該掛起線程。自旋次數的默認值是10次，用戶可以修改--XX:PreBlockSpin來更改。

另外,在 JDK1.6 中引入了自適應的自旋鎖。自適應的自旋鎖帶來的改進就是：自旋的時間不在固定了，而是和前一次同一個鎖上的自旋時間以及鎖的擁有者的狀態來決定，虛擬機變得越來越“聰明”了。

④ 鎖消除

鎖消除理解起來很簡單，它指的就是虛擬機即使編譯器在運行時，如果檢測到那些共享數據不可能存在競爭，那麼就執行鎖消除。鎖消除可以節省毫無意義的請求鎖的時間。

⑤ 鎖粗化

原則上，我們再編寫代碼的時候，總是推薦將同步快的作用範圍限制得儘量小——只在共享數據的實際作用域才進行同步，這樣是為了使得需要同步的操作數量儘可能變小，如果存在鎖競爭，那等待線程也能儘快拿到鎖。

大部分情況下，上面的原則都是沒有問題的，但是如果一系列的連續操作都對同一個對象反覆加鎖和解鎖，那麼會帶來很多不必要的性能消耗。

Synchronized 和 ReenTrantLock 的對比

① 兩者都是可重入鎖

兩者都是可重入鎖。“可重入鎖”概念是：自己可以再次獲取自己的內部鎖。比如一個線程獲得了某個對象的鎖，此時這個對象鎖還沒有釋放，當其再次想要獲取這個對象的鎖的時候還是可以獲取的，如果不可鎖重入的話，就會造成死鎖。同一個線程每次獲取鎖，鎖的計數器都自增1，所以要等到鎖的計數器下降為0時才能釋放鎖。

② synchronized 依賴於 JVM 而 ReenTrantLock 依賴於 API

synchronized 是依賴於 JVM 實現的，前面我們也講到了 虛擬機團隊在 JDK1.6 為 synchronized 關鍵字進行了很多優化，但是這些優化都是在虛擬機層面實現的，並沒有直接暴露給我們。ReenTrantLock 是 JDK 層面實現的（也就是 API 層面，需要 lock() 和 unlock 方法配合 try/finally 語句塊來完成），所以我們可以通過查看它的源代碼，來看它是如何實現的。

③ ReenTrantLock 比 synchronized 增加了一些高級功能

相比synchronized，ReenTrantLock增加了一些高級功能。主要來說主要有三點：①等待可中斷；②可實現公平鎖；③可實現選擇性通知（鎖可以綁定多個條件）

• ReenTrantLock提供了一種能夠中斷等待鎖的線程的機制，通過lock.lockInterruptibly()來實現這個機制。也就是說正在等待的線程可以選擇放棄等待，改為處理其他事情。
• ReenTrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖。而synchronized只能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的線程先獲得鎖。 ReenTrantLock默認情況是非公平的，可以通過 ReenTrantLock類的ReentrantLock(boolean fair)構造方法來制定是否是公平的。
• synchronized關鍵字與wait()和notify/notifyAll()方法相結合可以實現等待/通知機制，ReentrantLock類當然也可以實現，但是需要藉助於Condition接口與newCondition() 方法。Condition是JDK1.5之後才有的，它具有很好的靈活性，比如可以實現多路通知功能也就是在一個Lock對象中可以創建多個Condition實例（即對象監視器），線程對象可以註冊在指定的Condition中，從而可以有選擇性的進行線程通知，在調度線程上更加靈活。 在使用notify/notifyAll()方法進行通知時，被通知的線程是由 JVM 選擇的，用ReentrantLock類結合Condition實例可以實現“選擇性通知” ，這個功能非常重要，而且是Condition接口默認提供的。而synchronized關鍵字就相當於整個Lock對象中只有一個Condition實例，所有的線程都註冊在它一個身上。如果執行notifyAll()方法的話就會通知所有處於等待狀態的線程這樣會造成很大的效率問題，而Condition實例的signalAll()方法 只會喚醒註冊在該Condition實例中的所有等待線程。

如果你想使用上述功能，那麼選擇ReenTrantLock是一個不錯的選擇。

④ 性能已不是選擇標準

在JDK1.6之前，synchronized 的性能是比 ReenTrantLock 差很多。具體表示為：synchronized 關鍵字吞吐量歲線程數的增加，下降得非常嚴重。而ReenTrantLock 基本保持一個比較穩定的水平。我覺得這也側面反映了， synchronized 關鍵字還有非常大的優化餘地。後續的技術發展也證明了這一點，我們上面也講了在 JDK1.6 之後 JVM 團隊對 synchronized 關鍵字做了很多優化。

以上內容摘自我的 Gitchat ：《Java 程序員面試必備：併發知識系統總結》。點擊閱讀原文即可查看詳細信息！

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