前言本文带读者由浅入深地了解Synchronized，让读者也能跟着面试官一起疯掉。在并发编程中，Synchronized一直扮演着老牌角色。在Jdk1.6之前，大家称它为重量级锁。与JUC包提供的Lock相比，会显得繁琐。不过Jdk1.6优化了Synchronized之后，Synchronized的性能已经非常快了。内容大纲Synchronized用法Synchronized是Java提供的同步关键字。多线程场景下，对共享资源代码段的读写操作（必须包括写操作，轻读不会有线程安全问题，因为读操作天然有线程安全特性），可能存在线程安全问题，我们可以使用Synchronized对共享资源代码段进行加锁，达到互斥（mutualexclusion）的效果，保证线程安全。共享资源代码段也称为临界区。保证临界区的互斥性，即只有一个线程可以执行临界区，其他线程阻塞等待，达到排队的效果。使用Synchronized修改普通函数的方式有3种。监视器锁（monitor）是对象实例（this）修改static静态函数。监控锁（monitor）是对象的Class实例（每个对象只有一个Class实例）修改代码块，监控锁（monitor）是指定一个对象实例普通函数普通函数使用Synchronized的方式很简单，添加在访问修饰符和函数返回类型之间同步。在多线程场景下，thread和threadTwo两个线程执行incr函数。incr函数作为共享资源代码段被多个线程读写。我们称之为关键部分。为了保证临界区互斥，使用Synchronized修改incr函数。能。publicclassSyncTest{privateintj=0;/***自增方法*/publicsynchronizedvoidincr(){//临界区代码--startfor(inti=0;i<10000;i++){j++;}//临界区代码--结束}publicintgetJ(){returnj;}}publicclassSyncMain{publicstaticvoidmain(String[]agrs)throwsInterruptedException{SyncTestsyncTest=newSyncTest();Threadthread=newThread(()->syncTest.incr());ThreadthreadTwo=newThread(()->syncTest.incr());thread.start();threadTwo.start();thread.join();threadTwo.join();//最终打印结果为20000，如果不使用synchronized修饰，会导致线程安全问题，输出不确定的结果System.out.println(syncTest.getJ());}}代码很简单，incr函数被synchronized修饰，函数逻辑是累加j10000次，两个线程执行incr函数，最后输出j个结果。被synchronized修饰的函数称为同步函数。线程在执行同步函数之前，需要获得监听锁，简称锁。同步函数只有在成功获取锁后才能执行。同步函数执行后，线程会释放锁并通知唤醒其他线程获取锁，如果获取锁失败，“阻塞等待通知唤醒线程再次获取锁”，同步函数会使用this作为锁，也就是当前对象。以上面代码段为例，就是syncTest对象。在thread线程执行syncTest.incr()之前，thread线程获取锁成功。在线程threadTwo执行syncTest.incr()之前，线程threadTwo获取锁失败。线程threadTwo阻塞并等待唤醒线程执行完syncTest.incr()。释放锁，通知并唤醒threadTwo线程获取锁线程threadTwo成功获取锁线程threadTwo执行syncTest。功能是一样的，唯一不同的是锁的对象不再是this，而是Class对象。多线程执行Synchronized修改后的静态函数代码段如下。publicclassSyncTest{privatestaticintj=0;/***自增方法*/publicstaticsynchronizedvoidincr(){//临界区代码--startfor(inti=0;i<10000;i++){j++;}//临界区代码--结束}publicstaticintgetJ(){returnj;}}publicclassSyncMain{publicstaticvoidmain(String[]agrs)throwsInterruptedException{Threadthread=newThread(()->SyncTest.incr());ThreadthreadTwo=newThread(()->SyncTest.incr());thread.start();threadTwo.start();thread.join();threadTwo.join();//最终打印结果为20000，如果不使用synchronized修饰，会导致线程安全问题，输出不确定的结果System.out.println(SyncTest.getJ());}}Java的静态资源可以通过类名直接调用。静态资源不属于任何实例对象，只属于Class对象，每个Class在JVM对象中只有一个Class，所以同步静态函数会使用Class对象作为锁，后续的获取和释放过程锁是一样的。代码块前面介绍的普通函数和静态函数，粒度比较大，整个函数的作用域是锁定的。现在如果想缩小范围，灵活配置，就需要使用代码块，使用{}符号来定义Synchronized修改的范围。syncDbData函数在以下代码中定义。syncDbData是一个伪同步数据的函数，耗时2秒，逻辑不涉及共享资源读写操作（非临界区）。还有另外两个函数incr和incrTwo，都是在自增逻辑之前执行syncDbData函数，只是使用Synchronized的姿势不同。一种是修饰函数，另一种是修饰代码块。publicclassSyncTest{privatestaticintj=0;/***同步库数据比较耗时，代码资源不涉及共享资源读写操作。*/publicvoidsyncDbData(){System.out.println("db数据同步------------");try{//同步时间需要2秒Thread.sleep(2000);}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}System.out.println("db数据同步完成------------");}//自增方法publicsynchronizedvoidincr(){//start--临界区代码//同步库数据syncDbData();for(inti=0;i<10000;i++){j++;}//end--临界区代码}//自增方法publicvoidincrTwo(){//同步库数据syncDbData();synchronized(this){//开始——临界区代码for(inti=0;i<10000;i++){j++;}//结束——临界区代码}}publicintgetJ(){returnj;}}publicclassSyncMain{publicstaticvoidmain(String[]agrs)throwsInterruptedException{//incr同步方法执行SyncTestsyncTest=newSyncTest();Threadthread=newThread(()->syncTest.incr());ThreadthreadTwo=newThread(()->syncTest.incr());thread.start();threadTwo.start();thread.join();threadTwo.join();//最终打印结果为20000System.out.println(syncTest.getJ());//incrTwo同步块执行thread=newThread(()->syncTest.incrTwo());threadTwo=newThread(()->syncTest.incrTwo());thread.start();threadTwo.start();thread.join();threadTwo.join();//最终打印结果为40000System.out.println(syncTest.getJ());}}先看incr同步方法的执行，过程是一样的和之前一样，只是Synchronized锁的范围太大了，syncDbData()也被划入了临界区。多线程场景执行会有性能上的浪费，因为syncDbData()完全可以让多个线程并行或者并发执行。我们使用代码块来缩小范围，定义正确的临界区，提高性能，将注意力转向incrTwo同步块的执行，incrTwo函数采用修改代码块的方式进行同步，只对自增代码段加锁。代码块同步方式除了控制范围灵活之外，还可以做线程间的协同工作，因为任何对象都可以接受为Synchronized()括号内的锁，所以可以使用Object的wait、notify、notifyAll等做多线程通信协调（本文不展开线程通信协调，主角是Synchronized，不推荐使用这些方法，因为LockSupport工具类会是更好的选择）。wait：当前线程暂停，释放锁notify：释放锁，唤醒调用wait的线程（如果有多个随机唤醒）notifyAll：释放锁，唤醒所有调用wait的线程同步原理publicclassSyncTest{privatestaticintj=0;/***同步库数据比较耗时，代码资源不涉及共享资源读写操作。*/publicvoidsyncDbData(){System.out.println("db数据同步------------");try{//同步时间需要2秒Thread.sleep(2000);}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}System.out.println("db数据同步完成------------");}//自增方法publicsynchronizedvoidincr(){//start--临界区代码//同步库数据syncDbData();for(inti=0;i<10000;i++){j++;}//end--临界区代码}//自增方法publicvoidincrTwo(){//同步库数据syncDbData();synchronized(this){//开始--临界区代码for(inti=0;i<10000;i++){j++;}//结束--临界区代码}}publicintgetJ(){returnj;}}为了探究Synchronized的原理，我们对上面的代码进行反编译，输出反编译结果，看看底层是如何实现的（环境Java11，win10系统）。只拦截incr和incrTwo函数publicsynchronizedvoidincr();代码:0:aload_01:invokevirtual#11//MethodsyncDbData:()V4:iconst_05:istore_16:iload_17:sipush1000010:if_icmpge2713:getstatic#12//Fieldj:I117:iconst_iadd18:putstatic#12//Fieldj:I21:iinc1,124:goto627:returnpublicvoidincrTwo();代码:0:aload_01:invokevirtual#11//MethodsyncDbData:()V4:aload_05:dup6:astore_17:monitorenter//获取锁8：iconst_09:istore_210:iload_211:sipush1000014:if_icmpge3117:getstatic#12//Fieldj:I20:iconst_121:iadd22:putstatic#12//Fieldj:I25:iinc2,128:goto1031:aload_132:monitorexit//正常退出释放锁36:goto411astore_337:aload_138:monitorexit//异步退出释放锁39:aload_340:athrow41:returnps:对以上指令感兴趣的读者可以百度或者google《JVM虚拟机字节码指令表》先看看incrTwo函数，incrTwo是代码块同步。在反编译的结果中，我们发现有monitorenter和monitorexit指令（acquirelock，releaselock）。monitorenter指令插入同步代码块的开头，monitorexit指令插入同步代码块的末尾。JVM需要保证每个monitorenter都有对应的monitorexit。任何对象都与一个监视器锁（monitor）相关联，一个线程在执行monitorenter指令时试图获取监视器的所有权。如果monitor的entrynumber为0，则线程进入monitor，然后设置entrynumber为1，线程就是monitor的owner。如果线程已经占用了monitor重新进入，则monitor的入口数加1。monitor入口数-1，执行了多少次monitorenter，最后必须执行对应次数的monitorexits.如果其他线程已经占用了管程，则该线程进入阻塞状态，直到管程数为0，然后重新尝试获取管程的所有权。查看incr函数，incr是一个普通的函数同步，虽然在反编译结果中看不到monitorenter和monitorexit指令，但是实际执行过程和incrTwo函数一样，都是通过monitor执行的，但是一种隐式的实现方式，最后放一张流程图。synchronized优化Jdk1.5之后，对Synchronized关键字进行了各种优化。优化后，Synchronized变得更快了。这也是为什么官方推荐使用Synchronized的原因。具体优化点如下。锁粗化锁消除锁升级锁粗化和互斥的临界区应该越小越好。这样做的目的是尽量减少同步操作的次数，缩短阻塞时间。如果存在锁竞争，等待锁的线程也能尽快拿到锁。但是，加锁和解锁也会消耗资源。如果有一系列连续的加锁和解锁操作，可能会造成不必要的性能损失。锁粗化就是“将多个连续的加锁和解锁操作连接在一起”，扩展形成更大的锁，避免频繁的加锁和解锁操作。JVM会检测到一系列操作对同一个对象加锁（for循环执行j++10000次，加锁/解锁10000次不加锁粗化），JVM会将加锁范围加粗到这一系列操作之外（比如asoutsidetheforloop)使得这一系列操作只需要加一次锁。锁消除Java虚拟机在JIT编译时（可以简单理解为某段代码即将第一次执行时编译，也称为即时编译），它会扫描正在运行的上下文并进行逃逸分析（对象在函数中执行）。使用，也可能被外部函数引用，称为函数转义），去除不太可能有共享资源竞争的锁，通过这种方式去除不必要的锁，可以节省无意义的时间消耗。代码中使用了Object作为锁，但是Object对象的生命周期只在incrFour()函数中，不会被其他线程访问，所以会在JIT编译阶段进行优化（这里的Object不是转义对象）。LockUpgradeJava中的每个对象都有一个对象头。对象头由三部分组成：MarkWorld、指向类的指针和数组长度。在本文中，我们只需要关心MarkWorld。MarkWorld记录了对象的HashCode、Generationage和lockflag信息。MarkWorld简化结构lockstatestoragecontentlock标记无锁对象的hashCode，对象世代年龄，是否是偏向锁(0)01偏向锁偏向线程ID，偏向时间戳，对象世代年龄，是否是abiasedlock(1))01轻量级锁指向栈中锁记录的指针00重量级锁指向mutex（重量级锁）的指针10读者只需要知道锁的升级体现在锁对象的对象头的MarkWorld部分，这意味着MarkWorld的内容会随着锁的升级而变化。Java1.5之后，为了减少获取和释放锁带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁。Synchronized的升级顺序是“无锁-->偏向锁-->轻量级锁-->重量级锁只会升级不会降级”。偏向锁大多数情况下，锁总是被同一个线程多次获取，不存在多线程竞争，所以偏向锁就出现了。目标是只在一个线程执行同步代码阻塞时，减少获取锁的消耗，提高性能（偏向锁可以通过JVM参数关闭：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭后程序会进入默认为轻量级锁状态）。线程在执行同步代码或方法之前，只需要判断对象头的MarkWord中的线程ID与当前线程ID是否一致即可。如果一致，则直接执行同步代码或方法。具体过程如下。(0)",lockflag01CAS设置当前线程ID到MarkWord存储内容是否为偏向锁0=>是否为偏向锁1执行同步代码或方法偏向锁状态，并存储内容“是否是偏向锁（1），线程ID”，将锁标志01与线程ID进行比较，看是否一致，一致则执行同步代码或方法，否则进入以下流程.如果不一致，CAS会将MarkWord的线程ID设置为当前线程ID，设置成功则执行同步代码或方法，否则进入下面流程CAS设置失败，证明有一个多线程竞争情况，触发取消偏向锁，当达到全局安全点时，挂起偏向锁的线程，将偏向锁升级为轻量级锁，然后在恢复safe的位置宝int继续执行。轻量级锁轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，锁时间不长的场景。因为阻塞线程需要CPU从用户态切换到内核态，所以成本比较高。如果阻塞后不久就释放了锁，这种代价是得不偿失的，所以索性不要阻塞线程，让它自旋一段时间等待锁释放。当当前线程持有的锁是偏向锁，被其他线程访问时，偏向锁会升级为轻量级锁，其他线程会尝试以自旋的形式获取锁，不会阻塞，从而提高性能.轻量级锁的获取主要有两种情况：①当偏向锁功能关闭时；②多个线程竞争偏向锁，导致偏向锁升级为轻量级锁。无锁状态，存储内容“是否为偏向锁（0）”，锁标志位01当关闭偏向锁功能时，CAS将当前线程栈中锁记录的指针设置为MarkWord，并设置lockflag为00执行同步代码或方法释放锁时，恢复MarkWord内容的轻量级锁状态，存储内容“线程栈中指向锁记录的指针”，锁住flagbit00（存储内容的线程指的是“持有轻量级锁的线程”）CAS将当前线程栈中锁记录的指针指向MarkWord的存储内容，成功获取到轻量级锁，执行同步块代码或方法，否则，下面的逻辑设置失败，证明多个线程之间存在一定的竞争，线程自旋向上一步操作，如果自旋一定次数后仍然失败，轻量级lock升级为重量级锁。MarkWord存储内容替换为重量级锁指针，锁标记位为10。重量级锁扩容后，轻量级锁升级为重量级锁。级别锁，重量级锁是依赖操作系统的MutexLock（互斥锁）实现的，需要从用户态转到内核态。这个成本非常高，这就是为什么SynchronizedbeforeJava1.6效率低下的原因。当升级到重量级锁时，锁标志的状态值变为10，此时MarkWord中存放的内容就是重量级锁的指针，所有等待锁的线程都会进入阻塞状态。以下是锁升级过程的简化版本。
