Java锁-Synchronized深层剖析

前言

Java锁的问题，可以说是每个JavaCoder绕不开的一道坎。如果只是粗浅地了解Synchronized等锁的简单应用，那么就没什么谈的了，也不建议继续阅读下去。如果希望非常详细地了解非常底层的信息，如monitor源码剖析，SpinLock，TicketLock，CLHLock等自旋锁的实现，也不建议看下去，因为本文也没有说得那么深入。本文只是按照synchronized这条主线，探讨一下Java的锁实现，如对象头部，markdown，monitor的主要组成，以及不同锁之间的转换。至于常用的ReentrantLock，ReadWriteLock等，我将在之后专门写一篇AQS主线的Java锁分析。

不是我不想解释得更为详细，更为底层，而是因为两个方面。一方面正常开发中真的用不到那么深入的原理。另一方面，而是那些非常深入的资料，比较难以收集，整理。当然啦，等到我的Java积累更加深厚了，也许可以试试。囧

由于Java锁的内容比较杂，划分的维度也是十分多样，所以很是纠结文章的结构。经过一番考虑，还是采用类似正常学习，推演的一种逻辑来写（涉及到一些复杂的新概念时，再详细描述）。希望大家喜欢。

Java锁的相关概念

如果让我谈一下对程序中锁的最原始认识，那我就得说说PV操作（详见我在系统架构师中系统内部原理的笔记）了。通过PV操作可以实现同步效果，以及互斥锁等。

如果让我谈一下对Java程序中最常见的锁的认识，那无疑就是Synchronized了。

Java锁的定义

那么Java锁是什么？网上许多博客都谈到了偏向锁，自旋锁等定义，唯独就是没人去谈Java锁的定义。我也不能很好定义它，因为Java锁随着近些年的不断扩展，其概念早就比原来膨胀了许多。硬要我说，Java锁就是在多线程情况下，通过特定机制（如CAS），特定对象（如Monitor），配合LockRecord等，实现线程间资源独占，流程同步等效果。

当然这个定义并不完美，但也算差不多说出了我目前对锁的认识（貌似这不叫定义，不要计较）。

Java锁的分类标准

1. 自旋锁：是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其他线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环（之前文章提到的CAS就是自旋锁）
2. 乐观锁：假定没有冲突，再修改数据时如果发现数据和之前获取的不一致，则读最新数据，修改后重试修改（之前文章提到的CAS就是乐观锁）
3. 悲观所：假定一定会发生并发冲突，同步所有对数据的相关操作，从读数据就开始上锁（Synchronized就是悲观锁）
4. 独享锁：给资源加上独享锁，该资源同一时刻只能被一个线程持有（如JUC中的写锁）
5. 共享锁：给资源加上共享锁，该资源可同时被多个线程持有（如JUC中的读锁）
6. 可重入锁：线程拿到某资源的锁后，可自由进入同一把锁同步的其他代码（即获得锁的线程，可多次进入持有的锁的代码中，如Synchronized就是可重入锁）
7. 不可重入锁：线程拿到某资源的锁后，不可进入同一把锁同步的其他代码
8. 公平锁：争夺锁的顺序，获得锁的顺序是按照先来后到的（如ReentrantLock(true)）
9. 非公平所：争夺锁的顺序，获得锁的顺序并非按照先来后到的（如Synchronized)

其实这里面有很多有意思的东西，如自旋锁的特性，大家都可以根据CAS的实现了解到了。Java的自选锁在JDK4的时候就引入了（但当时需要手动开启），并在JDK1.6变为默认开启，更重要的是，在JDK1.6中Java引入了自适应自旋锁（简单说就是自旋锁的自旋次数不再固定）。又比如自旋锁一般都是乐观锁，独享锁是悲观所的子集等等。

** Java锁还可以按照底层实现分为两种。一种是由JVM提供支持的Synchronized锁，另一种是JDK提供的以AQS为实现基础的JUC工具，如ReentrantLock，ReadWriteLock，以及CountDownLatch，Semaphore，CyclicBarrier等。**

Java锁-Synchronized

Synchronized应该是大家最早接触到的Java锁，也是大家一开始用得最多的锁。毕竟它功能多样，能力又强，又能满足常规开发的需求。

有了上面的概念铺垫，就很好定义Synchronized了。Synchronized是悲观锁，独享锁，可重入锁。

当然Synchronized有多种使用方式，如同步代码块（类锁），同步代码块（对象锁），同步非静态方法，同步静态方法四种。后面有机会，我会挂上我笔记的相关页面。但是总结一下，其实很简单，注意区分锁的持有者与锁的目标就可以了。static就是针对类（即所有对该类的实例对象）。

其次，Synchronized不仅实现同步，并且JMM中规定，Synchronized要保证可见性（详细参照笔记中对volatile可见性的剖析)。

然后Synchronized有锁优化：锁消除，锁粗化（JDK做了锁粗化的优化，但可以通过代码层面优化，可提高代码的可读性与优雅性）

另外，Synchronized确实很方便，很简单，但是也希望大家不要滥用，看起来很糟糕，而且也让后来者很难下叉。

Java锁的实现原理

终于到了重头戏，也到了最消耗脑力的部分了。这里要说明一点，这里提及的只是常见的锁的原理，并不是所有锁原理展示（如Synchronized展示的是对象锁，而不是类锁，网上也基本没有博客详细写类锁的实现原理，但不代表没有）。如Synchronized方法是通过ACC_SYNCHRONIZED进行隐式同步的。

对象在内存中的结构（重点）

首先，我们需要正常对象在内存中的结构，才可以继续深入研究。

JVM运行时数据区分为线程共享部分（MetaSpace，堆），线程私有部分（程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈）。这部分不清楚的，自行百度或查看我之前有关JVM的笔记。那么堆空间存放的就是数组与类对象。而MetaSpace（原方法区/持久代）主要用于存储类的信息，方法数据，方法代码等。

我知道，没有图，你们是不会看的。

PS:为了偷懒，我放的都是网络图片，如果挂了。嗯，你们就自己百度吧

PS2:如果使用的网络图片存在侵权问题，请联系我，抱歉。

第一张图，简单地表述了在JVM中堆，栈，方法区三者之间的关系

图中展现了对象在无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁，GC标记五种状态下的Mark Word的不同。

引用一下这位大佬的解释哈（毕竟大佬解释得蛮全面的，我就不手打了，只做补充）。

• thread：持有偏向锁的线程ID。
• epoch：偏向时间戳。
• age：4位的Java对象年龄。在GC中，如果对象在Survivor区复制一次，年龄增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位，所以最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。
• biased_lock：对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。
• identity_hashcode：25位的对象标识Hash码，采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。当对象被锁定时，该值会移动到管程Monitor中。
• ptr_to_lock_record：指向栈中锁记录的指针。
• ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指针。

可能你看到这里，会对上面的解释产生一定的疑惑，什么是栈中锁记录，什么是Monitor。别急，接下来的Synchronized锁的实现就会应用到这些东西。

Java锁的内存实现

现在就让我们来看看我们平时使用的Java锁在JVM中到底是怎样的情况。

Synchronized锁一共有四种状态：无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。其中偏向锁与轻量级锁是由Java6提出，以优化Synchroniz