Synchronized的几个灵魂拷问

一、synchronized的简单介绍

关键字 synchronized可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)，同时我们还应该注意到synchronized另外一个重要的作用，synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到（保证可见性，完全可以替代volatile功能）。简单来说概括就是三个特性：

原子性：确保线程互斥的访问同步代码；
可见性：可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到
有序性：有效解决重排序问题，即 “一个unlock操作先行发生(happen-before)于后面对同一个锁的lock操作”

二、synchronized应用

1.synchronized使用场景

修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

2.synchronized使用的注意事项：

若是对象锁，则每个对象都持有一把自己的独一无二的锁，且对象之间的锁互不影响。若是类锁，所有该类的对象共用这把锁。
一个线程获取一把锁，没有得到锁的线程只能排队等待；
synchronized 是可重入锁，避免很多情况下的死锁发生。
synchronized 方法若发生异常，则JVM会自动释放锁。
锁对象不能为空，否则抛出NPE(NullPointerException)
synchronized 本身是不具备继承性的：即父类的synchronized 方法，子类重写该方法，分情况讨论：没有synchonized修饰，则该子类方法不是线程同步的。
synchronized本身修饰的范围越小越好。毕竟是同步阻塞。

3.synchronized的常见问题

同时访问synchronized的静态和非静态方法，能保证线程安全吗？
不能，两者的锁对象不一样。前者是类锁(XXX.class)，后者是this
同时访问synchronized方法和非同步方法，能保证线程安全吗？
结论：不能，因为synchronized只会对被修饰的方法起作用。
两个线程同时访问两个对象的非静态同步方法能保证线程安全吗？
结论：不能，每个对象都拥有一把锁。两个对象相当于有两把锁，导致锁对象不一致。(PS：如果是类锁，则所有对象共用一把锁)
若synchronized方法抛出异常，会导致死锁吗？
JVM会自动释放锁，不会导致死锁问题
若synchronized的锁对象能为空吗？会出现什么情况？
锁对象不能为空，否则抛出NPE(NullPointerException)
若synchronized的锁对象能为空吗？会出现什么情况？
锁对象不能为空，否则抛出NPE(NullPointerException)

三、synchronized原理

Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现。同步方法并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的。

1、关于Java对象头与Monitor

对象在内存中的布局分为三块区域：1、对象头、2、实例数据和3、对齐填充。

实例变量：存放类的属性数据信息
填充数据：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。
Java头对象：Mark Word 和 Class Metadata Address 组成

头对象结构	说明
Mark Word	存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息
Class Metadata Address	类型指针指向对象的类元数据，JVM通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。

Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构，默认的存储结构如下：

锁状态	25bit	4bit	1bit是否是偏向锁	2bit 锁标志位
无锁状态	对象HashCode	对象分代年龄	0	01

Mark Word会随着程序的运行发生变化，可能变化为存储以下4种数据：

32位JVM的Mark Word可能存储4种数据

由synchronized的对象锁，指针指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的地址，所以每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，monitor是由ObjectMonitor实现的（C++实现的），源码如下：

ObjectMonitor() {
    ... //其他忽略，核心为如下三个
    _count        = 0; //记录个数
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
  }

可以看到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），其工作流程大致如下：

当多个线程同时访问一段同步代码时，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
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 WaitSe t集合中等待被唤醒。
若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。

monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(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

2、synchronized字节码语义

将synchronized修饰的同步代码块利用javap反编译后得到字节码如下：

我们主要需要关注如下：

3: monitorenter  //进入同步方法
//..........省略其他  
13: monitorexit   //退出同步方法
14: goto          22
//省略其他.......
19: monitorexit //退出同步方法

monitorenter指令，线程尝试获取monitor的所有权，过程如下：

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指令，线程执行完毕释放锁，过程如下：

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。
monitorexit指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁；第2次为发生异步退出释放锁；

3、synchronized方法的底层原理

上面讲的是同步代码块的方式，方法级的同步是隐式，无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。

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，执行线程将先持有monitor，然后再执行方法，最后在方法完成( 无论是正常完成还是非正常完成 )时释放monitor。
在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放。

synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。这便是synchronized锁在同步代码块和同步方法上实现的基本原理。

 //省略没必要的字节码
  public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    //方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field i:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field i:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 10
}

四、synchronized的改进与优化

Java早期版本中，synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态，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，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因。

在Java 6之后Java官方对从JVM层面对synchronized较大优化，引入了轻量级锁和偏向锁，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。由轻到重的顺序就是：偏向锁-->轻量级锁-->重量级锁。 JDK 1.6 中默认是开启偏向锁和轻量级锁的。

1.偏向锁

适用于：不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得。

偏向锁的核心思想：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。对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果。

2.轻量级锁

适用于：当锁竞争升级了后，有可能每次申请锁的线程都是不相同的，但时线程交替执行同步块的场合，，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁的思想是依赖经验情况，对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争。

3.重量级锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程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。

4.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。

public class StringBufferRemoveSync {

    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用
        //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            rmsync.add("abc", "123");
        }
    }
}

syncchronized的深度思考

1、面试官：为什么synchronized无法禁止指令重排，却能保证有序性？
首先，最好的解决有序性问题的办法，就是禁止处理器优化和指令重排，就像volatile中使用内存屏障一样。但是synchronized没有使用内存屏障。

在synchronized这边，加了锁之后，只能有一个线程获得到了锁，获得不到锁的线程就要阻塞。所以同一时间只有一个线程执行，相当于单线程，而单线程的指令重排是没有问题的。在Java中，不管怎么排序，都不能影响单线程程序的执行结果。这就是as-if-serial语义，所有硬件优化的前提都是必须遵守as-if-serial语义（as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序，单线程程序的执行结果不能被改变）。

因为有as-if-serial语义保证，单线程的有序性就天然存在了。

2、既然synchronized是"万能"的，为什么还需要volatile呢？
这个是针对DSL的单例模式来谈的，我们知道对singleton使用volatile约束，保证他的初始化过程不会被指令重排。但是synchronized是无法禁止指令重排和处理器优化的。也就是只看Thread1的话，因为编译器会遵守as-if-serial语义，所以这种优化不会有任何问题，对于这个线程的执行结果也不会有任何影响。但是Thread1内部的指令重排却对Thread2产生了影响。

我们可以说，synchronized保证的有序性是多个线程之间的有序性，即被加锁的内容要按照顺序被多个线程执行。但是其内部的同步代码还是会发生重排序，只不过由于编译器和处理器都遵循as-if-serial语义，所以我们可以认为这些重排序在单线程内部可忽略。

参考引用

1、深入理解Java并发之synchronized实现原理
2、☆啃碎并发（七）：深入分析Synchronized原理