synchronized關(guān)鍵字是Java并發(fā)編程中線程同步的常用手段之一，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問某個(gè)線程間的共享變量時(shí)，我們可以使用synchronized來保證線程安全。synchronized可以保證互斥性，可見性和有序性：

• 互斥性：確保線程互斥的訪問同步代，鎖自動(dòng)釋放，多個(gè)線程操作同個(gè)代碼塊或函數(shù)必須排隊(duì)獲得鎖；
• 可見性：保證共享變量的修改能夠及時(shí)可見，獲得鎖的線程操作完畢后會(huì)將所數(shù)據(jù)刷新到共享內(nèi)存區(qū)；
• 有序性：有效解決指令重排問題。

接下來我們一步一步來了解synchronized的底層實(shí)現(xiàn)原理。

synchronized使用方式

有如下程序，有兩個(gè)線程需要對(duì)共享變量i進(jìn)行加1的操作，每個(gè)線程都加到10000，最終需要輸出20000。

/*** @Author likangmin* @create 2020/12/11 13:36*/ public class Thread4 implements Runnable{//共享資源(臨界資源)static int i=0;public void increase(){i++;}public void run() {for(int j=0;j<10000;j++){increase();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread4 t=new Thread4();Thread t1=new Thread(t);Thread t2=new Thread(t);t1.start();t2.start();t1.join();//主線程等待t1執(zhí)行完畢t2.join();//主線程等待t2執(zhí)行完畢System.out.println(i);} }

在不使用synchronized關(guān)鍵字的時(shí)候，我們看一下最后執(zhí)行的結(jié)果：

發(fā)現(xiàn)最終的結(jié)果是小于20000的，顯然結(jié)果是不正確的。這個(gè)時(shí)候就需要使用synchronized關(guān)鍵字， 一共有三種使用的方法：直接修飾某個(gè)實(shí)例方法，直接修飾某個(gè)靜態(tài)方法，修飾代碼塊。每個(gè)類都有一個(gè)類鎖，類的每個(gè)對(duì)象也有一個(gè)內(nèi)置鎖，它們是互不干擾的，也就是說一個(gè)線程可以同時(shí)獲得類鎖和該類實(shí)例化對(duì)象的內(nèi)置鎖，當(dāng)線程訪問synchronzied修飾的方法時(shí)，依據(jù)修飾的不同類型獲取不同的鎖。

修飾實(shí)例方法

synchronized關(guān)鍵詞作用在方法的前面，用來鎖定方法，默認(rèn)鎖定的是this對(duì)象。synchronized修飾的實(shí)例方法，多線程并發(fā)訪問時(shí)，只能有一個(gè)線程進(jìn)入，獲得對(duì)象內(nèi)置鎖，其他線程阻塞等待，但在此期間線程仍然可以訪問其他方法。
我們還是以上面的例子來進(jìn)行測試，在實(shí)例方法上加上synchronized：

/*** @Author likangmin* @create 2020/12/11 13:35*/ public class Thread1 implements Runnable{//共享資源(臨界資源)static int i=0;//synchronized關(guān)鍵字public synchronized void increase(){i++;}public void run() {for(int j=0;j<10000;j++){increase();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread1 t=new Thread1();Thread t1=new Thread(t);Thread t2=new Thread(t);t1.start();t2.start();t1.join();//主線程等待t1執(zhí)行完畢t2.join();//主線程等待t2執(zhí)行完畢System.out.println(i);} }

看一下輸出，的確是20000，符合最終的結(jié)果。

修飾靜態(tài)方法

synchronized修飾在方法上，不過修飾的是靜態(tài)方法，等價(jià)于鎖定的是Class對(duì)象。synchronized修飾的靜態(tài)方法，多線程并發(fā)訪問時(shí)，只能有一個(gè)線程進(jìn)入，獲得類鎖，其他線程阻塞等待，但在此期間線程仍然可以訪問其他方法。
我們還是以上面的例子來進(jìn)行測試，在靜態(tài)方法上加上synchronized：

/*** @Author likangmin* @create 2020/12/11 13:35*/ public class Thread2 {//共享資源(臨界資源)static int i = 0;public static synchronized void increase() {i++;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(new Runnable() {public void run() {for (int j = 0; j < 10000; j++) {increase();}}});Thread t2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int j = 0; j < 10000; j++) {increase();}}});t1.start();t2.start();t1.join();//主線程等待t1執(zhí)行完畢t2.join();//主線程等待t2執(zhí)行完畢System.out.println(i);} }

看一下輸出，的確是20000，符合最終的結(jié)果。

修飾代碼塊

在函數(shù)體內(nèi)部對(duì)于要修改的參數(shù)區(qū)間用synchronized來修飾，相比與鎖定函數(shù)這個(gè)范圍更小，可以指定鎖定什么對(duì)象。synchronized修飾的代碼塊，多線程并發(fā)訪問時(shí)，只能有一個(gè)線程進(jìn)入，根據(jù)括號(hào)中的對(duì)象或者是類，獲得相應(yīng)的對(duì)象內(nèi)置鎖或者是類鎖。
我們還是以上面的例子來進(jìn)行測試，在代碼塊上加上synchronized：

/*** @Author likangmin* @create 2020/12/11 13:36*/ public class Thread3 implements Runnable{//共享資源(臨界資源)static int i = 0;@Overridepublic void run() {for (int j = 0; j < 10000; j++) {//獲得了String的類鎖synchronized (String.class) {i++;}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread3 t = new Thread3();Thread t1 = new Thread(t);Thread t2 = new Thread(t);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(i);} }

看一下輸出，的確是20000，符合最終的結(jié)果。

有的同學(xué)可能會(huì)問，synchronized修飾方法和修飾代碼塊有什么區(qū)別？這個(gè)我們?cè)诤竺鏁?huì)解答，請(qǐng)你耐心往后看。

synchronized底層原理

synchronized內(nèi)存模型

講清 synchronized 關(guān)鍵字的原理前需要理清 Java 對(duì)象在內(nèi)存中的表示方法。我們知道在Java的JVM內(nèi)存區(qū)域中一個(gè)對(duì)象在堆區(qū)創(chuàng)建，創(chuàng)建后的對(duì)象由三部分組成：

這三部分功能如下：

• 對(duì)象頭：主要包括兩部分 Klass Point跟 Mark Word，如果是數(shù)組，還包括數(shù)組的長度；
• 實(shí)例變量：存放類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息，這部分內(nèi)存按4字節(jié)對(duì)齊；
• 填充數(shù)據(jù)：由于虛擬機(jī)要求對(duì)象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。填充數(shù)據(jù)不是必須存在的，僅僅是為了字節(jié)對(duì)齊。

synchronized不論是修飾方法還是代碼塊，都是通過持有修飾對(duì)象的鎖來實(shí)現(xiàn)同步，synchronized鎖對(duì)象是存在對(duì)象頭Mark Word。

Mark Word 中的某些字段發(fā)生變化，就可以代表鎖不同的狀態(tài)。Mark Word狀態(tài)表示位如下：

其中輕量級(jí)鎖和偏向鎖是Java6對(duì)synchronized鎖進(jìn)行優(yōu)化后新增加的，這里我們主要分析一下重量級(jí)鎖也就是通常說synchronized的對(duì)象鎖，鎖標(biāo)識(shí)位為10，其中指針指向的是monitor對(duì)象（也稱為管程或監(jiān)視器鎖）的起始地址。

每個(gè)對(duì)象都存在著一個(gè) monitor與之關(guān)聯(lián)，而monitor可以被線程擁有或釋放，在Java虛擬機(jī)(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)的，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（位于HotSpot虛擬機(jī)源碼ObjectMonitor.hpp文件，C++實(shí)現(xiàn)的）：

ObjectMonitor() {_count = 0; //記錄數(shù)_recursions = 0; //鎖的重入次數(shù)_owner = NULL; //指向持有ObjectMonitor對(duì)象的線程 _WaitSet = NULL; //調(diào)用wait后，線程會(huì)被加入到_WaitSet_EntryList = NULL ; //等待獲取鎖的線程，會(huì)被加入到該列表 }

monitor運(yùn)行圖如下：

依據(jù)以上圖示我們簡單梳理一下執(zhí)行過程：

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問synchronized修飾的方法(代碼塊)時(shí)，這些線程會(huì)先被放進(jìn)_EntryList隊(duì)列，此時(shí)線程處于blocked狀態(tài)；

當(dāng)一個(gè)線程獲取到了對(duì)象的monitor后，那么就可以進(jìn)入running狀態(tài)，執(zhí)行方法塊，此時(shí)，ObjectMonitor對(duì)象的_owner指向當(dāng)前線程，_count加1表示當(dāng)前對(duì)象鎖被一個(gè)線程獲取；

當(dāng)running狀態(tài)的線程調(diào)用wait()方法，那么當(dāng)前線程釋放monitor對(duì)象，進(jìn)入waiting狀態(tài)，ObjectMonitor對(duì)象的_owner變?yōu)閚ull，_count減1，同時(shí)線程進(jìn)入_WaitSet隊(duì)列，直到有線程調(diào)用notify()方法喚醒該線程，則該線程進(jìn)入_EntryList隊(duì)列，競爭到鎖再進(jìn)入_owner區(qū)。

如果當(dāng)前線程執(zhí)行完畢，那么也釋放monitor對(duì)象，ObjectMonitor對(duì)象的_owner變?yōu)閚ull，_count減1。

因?yàn)楸O(jiān)視器鎖（monitor）是依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來實(shí)現(xiàn)的，而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換時(shí)需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對(duì)比較長的時(shí)間，時(shí)間成本相對(duì)較高，這也是早期的synchronized效率低的原因。在Java 6之后Java官方對(duì)從JVM層面對(duì)synchronized較大優(yōu)化最終提升顯著，Java 6之后，為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，引入了鎖升級(jí)的概念。

synchronizedd修改方法與代碼塊區(qū)別

在介紹鎖升級(jí)之前，我們?cè)倩氐阶铋_始一個(gè)問題，synchronized修飾方法和修飾代碼塊有什么區(qū)別。針對(duì)這兩種情況，Java 編譯時(shí)的處理方法并不相同。我們可以通過反匯編看下同步方法跟同步方法塊在匯編語言級(jí)別是什么樣的指令。
對(duì)之前的Thread1，即synchronized修改方法的類，在終端執(zhí)行javap -v Thread1.calss，得到的字節(jié)碼文件部分如下：

對(duì)之前的Thread3，即synchronized修改代碼塊，在終端執(zhí)行javap -v Thread1.calss，得到的字節(jié)碼文件部分如下：

我們可以看到：

• 第一種情況，編譯器會(huì)為其自動(dòng)生成了一個(gè) ACC_SYNCHRONIZED 關(guān)鍵字用來標(biāo)識(shí)。在 JVM 進(jìn)行方法調(diào)用時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)調(diào)用的方法被 ACC_SYNCHRONIZED 修飾，則會(huì)先嘗試獲得鎖，然后開始執(zhí)行方法，方法執(zhí)行之后再釋放監(jiān)視器鎖。這時(shí)如果其他線程來請(qǐng)求執(zhí)行方法，會(huì)因?yàn)闊o法獲得監(jiān)視器鎖而被阻斷住。值得注意的是，如果在方法執(zhí)行過程中，發(fā)生了異常，并且方法內(nèi)部并沒有處理該異常，那么在異常被拋到方法外面之前監(jiān)視器鎖會(huì)被自動(dòng)釋放。
• 第二種情況，編譯時(shí)在代碼塊開始前生成對(duì)應(yīng)的1個(gè) monitorenter 指令，代表同步塊進(jìn)入。2個(gè) monitorexit 指令，前一個(gè)代表同步塊正常退出，后一個(gè)在同步塊異常時(shí)退出。每個(gè)對(duì)象維護(hù)著一個(gè)記錄著被鎖次數(shù)的計(jì)數(shù)器。未被鎖定的對(duì)象的該計(jì)數(shù)器為0，當(dāng)一個(gè)線程獲得鎖（執(zhí)行monitorenter）后，該計(jì)數(shù)器自增變?yōu)?1 ，當(dāng)同一個(gè)線程再次獲得該對(duì)象的鎖的時(shí)候，計(jì)數(shù)器再次自增。當(dāng)同一個(gè)線程釋放鎖（執(zhí)行monitorexit指令）的時(shí)候，計(jì)數(shù)器再自減。當(dāng)計(jì)數(shù)器為0的時(shí)候。鎖將被釋放，其他線程便可以獲得鎖。

CAS算法

在講其他之前，我們還要給大家介紹一個(gè)算法- CAS 算法。CAS 算法全稱為 Compare And Swap。顧名思義，該算法涉及到了兩個(gè)操作，比較（Compare）和交換（Swap）。其基本流程如下圖：

在對(duì)共享變量進(jìn)行多線程操作的時(shí)候，難免會(huì)出現(xiàn)線程安全問題。對(duì)該問題的一種解決策略就是對(duì)該變量加鎖，保證該變量在某個(gè)時(shí)間段只能被一個(gè)線程操作。但是這種方式的系統(tǒng)開銷比較大，因此提出了一種新的算法-CAS 算法。算法的思路如下：

對(duì)當(dāng)前讀取變量值 E 和內(nèi)存中的變量舊值 V 進(jìn)行比較

如果相等，就代表其他線程沒有對(duì)該變量進(jìn)行修改，就將變量值更新為新值 N

如果不等，就認(rèn)為在讀取值 E 到比較階段，有其他線程對(duì)變量進(jìn)行過修改，不進(jìn)行任何操作。

當(dāng)線程運(yùn)行 CAS 算法時(shí)，該運(yùn)行過程是原子操作，原子操作的含義就是線程開始跑這個(gè)函數(shù)后，運(yùn)行過程中不會(huì)被別的程序打斷。

鎖升級(jí)

synchronized鎖有四種狀態(tài)，無鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。這幾個(gè)狀態(tài)會(huì)隨著競爭狀態(tài)逐漸升級(jí)，鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)，但是偏向鎖狀態(tài)可以被重置為無鎖狀態(tài)。

偏向鎖

HotSpot的作者大量研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)時(shí)候是不存在鎖競爭的，經(jīng)常是一個(gè)線程多次獲得同一個(gè)鎖，因此如果每次都要競爭鎖會(huì)增大很多沒有必要付出的代價(jià)，為了降低獲取鎖的代價(jià)，引入偏向鎖。以下為偏向鎖的 Mark Word 字段。

如果一個(gè)線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)。當(dāng)這個(gè)線程再次請(qǐng)求鎖時(shí)，無需再做任何同步操作，即不用再去重復(fù)獲取鎖的過程，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請(qǐng)的操作，從而也就提供程序的性能。偏向鎖的申請(qǐng)流程：

有線程1和線程2，當(dāng)線程1訪問代碼塊并獲取鎖對(duì)象時(shí)，會(huì)在java對(duì)象頭和棧幀中記錄偏向的鎖的threadID；

偏向鎖不會(huì)主動(dòng)釋放鎖，因此線程1再次獲取鎖的時(shí)候，需要比較當(dāng)前線程的threadID和Java對(duì)象頭中的threadID是否一致；

如果一致（還是線程1獲取鎖對(duì)象），則無需使用CAS來加鎖、解鎖，直接進(jìn)入代碼塊執(zhí)行；

如果不一致（其他線程，如線程2要競爭鎖對(duì)象，而偏向鎖不會(huì)主動(dòng)釋放因此還是存儲(chǔ)的線程1的threadID），那么需要查看Java對(duì)象頭中記錄的線程1是否存活；

如果沒有存活，那么鎖對(duì)象被重置為無鎖狀態(tài)，其它線程（線程2）可以利用 CAS 算法將對(duì)象的 Mark Word 進(jìn)行更改，使線程 ID 部分換成本線程 ID。如果更換成功，則重偏向完成，獲得偏向鎖,如果失敗，則說明有多線程競爭，升級(jí)為輕量級(jí)鎖；

如果存活，那么立刻查找該線程（線程1）的棧幀信息，如果還是需要繼續(xù)持有這個(gè)鎖對(duì)象，那么暫停當(dāng)前線程1，撤銷偏向鎖，升級(jí)為 輕量級(jí)鎖；

如果線程1不再使用該鎖對(duì)象，那么將鎖對(duì)象狀態(tài)設(shè)為無鎖狀態(tài)，重新偏向新的線程。

偏向鎖使用場景

• 對(duì)于沒有鎖競爭的場合，偏向鎖有很好的優(yōu)化效果，畢竟極有可能連續(xù)多次是同一個(gè)線程申請(qǐng)相同的鎖；
• 對(duì)于鎖競爭比較激烈的場合，偏向鎖就失效了，因?yàn)檫@樣場合極有可能每次申請(qǐng)鎖的線程都是不相同的，因此這種場合下不應(yīng)該使用偏向鎖，否則會(huì)得不償失；
• 偏向鎖失敗后，并不會(huì)立即膨脹為重量級(jí)鎖，而是先升級(jí)為輕量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖考慮的是競爭鎖對(duì)象的線程不多，而且線程持有鎖的時(shí)間也不長的情景。因?yàn)樽枞€程需要高昂的耗時(shí)實(shí)現(xiàn)CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)的切換，如果剛剛阻塞不久這個(gè)鎖就被釋放了，那這個(gè)代價(jià)就有點(diǎn)得不償失了，因此這個(gè)時(shí)候就干脆不阻塞這個(gè)線程，讓它自旋這等待鎖釋放。如果當(dāng)前對(duì)象是輕量級(jí)鎖狀態(tài)，對(duì)象的 Mark Word 如下圖所示：

該對(duì)象頭Mark Word分為兩個(gè)部分。第一部分是指向棧中的鎖記錄的指針，第二部分是鎖標(biāo)記位，針對(duì)輕量級(jí)鎖該標(biāo)記位為 00。輕量級(jí)鎖的申請(qǐng)流程：

如果當(dāng)前這個(gè)對(duì)象的鎖標(biāo)志位為 01（即無鎖狀態(tài)或者輕量級(jí)鎖狀態(tài)），線程1在執(zhí)行同步塊之前，JVM 會(huì)先復(fù)制一份鎖對(duì)象的對(duì)象頭MarkWord在當(dāng)前的線程的棧幀中用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間（稱為DisplacedMarkWord）；

使用CAS對(duì)這個(gè)對(duì)象的 Mark Word 進(jìn)行修改，把對(duì)象頭中的內(nèi)容替換為線程1存儲(chǔ)的鎖記錄（DisplacedMarkWord）的地址；如果修改成功，那該線程就擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖；

如果在線程1復(fù)制對(duì)象頭的同時(shí)（在線程1CAS之前），線程2也準(zhǔn)備獲取鎖，復(fù)制了對(duì)象頭到線程2的鎖記錄空間中，但是在線程2CAS的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)線程1已經(jīng)把對(duì)象頭換了，線程2的CAS失敗，那么線程2就嘗試使用自旋鎖來等待線程1釋放鎖。自旋鎖簡單來說就是讓線程2在循環(huán)中不斷CAS嘗試獲得鎖對(duì)象；

如果自旋的「時(shí)間太長」也不行，因?yàn)樽孕且腃PU的，因此自旋的次數(shù)是有限制的，比如10次或者100次，如果自旋次數(shù)到了線程1還沒有釋放鎖，或者線程1還在執(zhí)行，線程2還在自旋等待，那么這個(gè)時(shí)候輕量級(jí)鎖就會(huì)膨脹為重量級(jí)鎖。重量級(jí)鎖把除了擁有鎖的線程都阻塞，防止CPU空轉(zhuǎn)。

重量級(jí)鎖

在 Java 的早期版本中，synchronized 鎖屬于重量級(jí)鎖，此時(shí)對(duì)象的 Mark Word 如圖所示：

該對(duì)象頭的 Mark Word 分為兩個(gè)部分，第一部分是指向重量級(jí)鎖的指針，第二部分是鎖標(biāo)記位。這里所說的指向重量級(jí)鎖的指針就是 monitor，monitor 是監(jiān)視器，Java 中每個(gè)對(duì)象會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)監(jiān)視器，這個(gè)監(jiān)視器其實(shí)也就是監(jiān)控鎖有沒有釋放，釋放的話會(huì)通知下一個(gè)等待鎖的線程去獲取。monitor 的成員變量比較多，我們可以將 monitor 簡單理解成兩部分，第一部分表示當(dāng)前占用鎖的線程，第二部分是等待這把鎖的線程隊(duì)列。

如果當(dāng)前占用鎖的線程把鎖釋放了，那就需要在線程隊(duì)列中喚醒下一個(gè)等待鎖的線程。但是阻塞或喚醒一個(gè)線程需要依賴底層的操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，Java 的線程是映射到操作系統(tǒng)的原生線程之上的。而操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要花費(fèi)很多的處理器時(shí)間，甚至可能比用戶代碼執(zhí)行的時(shí)間還要長。由于這種效率太低，所以提出了偏向鎖，輕量級(jí)鎖等的改進(jìn)優(yōu)化。

總結(jié)

最后給大家總結(jié)一下各個(gè)鎖的優(yōu)缺點(diǎn)以及各自適用的場景：

鎖狀態(tài)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用場景

偏向鎖	加鎖解鎖無需額外消耗，跟非同步方法時(shí)間相差納秒級(jí)別	如果競爭線程多，會(huì)帶來額外的鎖撤銷的消耗	基本沒有其他線程競爭的同步場景
輕量級(jí)鎖	競爭的線程不會(huì)阻塞而是在自旋，可提高程序響應(yīng)速度	如果一直無法獲得會(huì)自旋消耗CPU	少量線程競爭，持有鎖時(shí)間不長，追求響應(yīng)速度
重量級(jí)鎖	線程競爭不會(huì)導(dǎo)致CPU自旋跟消耗CPU資源	線程阻塞，響應(yīng)時(shí)間長	很多線程競爭鎖，切鎖持有時(shí)間長，追求吞吐量時(shí)候

最后再奉上鎖升級(jí)大圖（感謝unbelievableme大神的繪制）：

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參考文章：
https://www.cnblogs.com/kundeg/p/8422557.html

總結(jié)

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