线程池（二）：深入剖析synchronized关键字的底层原理

一、基本使用

1.1 修饰实例方法

当synchronized修饰一个实例方法时，它锁定的是当前对象（this）。例如：

public class SynchronizedExample {public synchronized void synchronizedMethod() {// 同步代码块// 同一时刻，只有一个线程能进入这个方法}
}

在上述代码中，任何线程在调用synchronizedMethod方法时，都需要获取当前对象的锁。如果一个线程已经持有了这个锁，其他线程就需要等待，直到该线程释放锁。

1.2 修饰静态方法

当synchronized修饰静态方法时，它锁定的是当前类的Class对象。因为静态方法属于类，而不是某个具体的实例。示例如下：

public class StaticSynchronizedExample {public static synchronized void staticSynchronizedMethod() {// 同步代码块// 同一时刻，只有一个线程能进入这个静态方法}
}

不管有多少个该类的实例，对于这个静态同步方法，同一时刻只有一个线程可以执行。这是因为所有线程共享类的Class对象，锁的就是这个唯一的Class对象。

1.3 修饰代码块

synchronized还可以修饰代码块，这种方式更加灵活，可以指定具体要锁定的对象。例如：

public class SynchronizedBlockExample {private final Object lock = new Object();public void someMethod() {synchronized (lock) {// 同步代码块// 同一时刻，只有一个线程能进入这个代码块}}
}

这里通过synchronized (lock)指定了锁定的对象是lock。当多个线程同时访问someMethod方法时，只有一个线程能获取到lock对象的锁并执行同步代码块中的内容。

二、Monitor

2.1 Monitor的概念

Monitor（监视器）是Java并发编程中实现同步的一个核心概念。它可以理解为一个同步工具，也可以说是一种同步机制。每个Java对象都可以关联一个Monitor。当一个线程想要进入同步代码块（无论是synchronized修饰的方法还是代码块）时，它需要先获取对应的Monitor。

2.2 Monitor的实现原理

在HotSpot虚拟机中，Monitor是由ObjectMonitor结构体实现的。它主要包含以下几个关键部分：

• header：对象头，用于存储对象的一些元数据信息，比如对象的哈希码、对象的分代年龄等。
• count：记录该Monitor被获取的次数。当一个线程成功获取到Monitor后，_count会加1，每次释放锁时，_count会减1。当_count为0时，代表该Monitor没有被任何线程持有。
• owner：指向当前持有该Monitor的线程。如果当前没有线程持有该Monitor，_owner为null。
• WaitSet：等待队列，当线程调用对象的wait()方法时，该线程会被放入这个等待队列中，进入等待状态。
• EntryList：入口队列，当多个线程同时竞争一个Monitor时，没有获取到锁的线程会被放入这个入口队列中等待。

2.3 Monitor与synchronized的关系

synchronized关键字的底层实现依赖于Monitor。当一个线程进入synchronized修饰的同步代码块或方法时，实际上就是去获取对应的Monitor。如果获取成功，就可以执行同步代码；如果获取失败，就会被放入EntryList队列中等待。当持有锁的线程执行完同步代码或者调用wait()方法时，会释放Monitor，此时会从EntryList队列中唤醒一个等待的线程来获取Monitor。

三、synchronized关键字的底层原理 - 进阶

3.1 对象的内存结构

在Java中，对象在内存中的布局主要包括三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

• 对象头（Header）：对象头又分为两部分，一部分是用于存储对象自身的运行时数据，比如哈希码（HashCode）、对象的分代年龄、锁标志位等，这部分数据被称为MarkWord；另一部分是指向对象所属类的Class对象的指针，用于确定对象的类型。
• 实例数据（Instance Data）：这部分用于存储对象的成员变量，包括从父类继承下来的成员变量和本类定义的成员变量。
• 对齐填充（Padding）：由于虚拟机要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，所以当对象头和实例数据部分的总大小不是8字节的整数倍时，需要通过对齐填充来补足。

3.2 MarkWord

MarkWord是对象头中非常重要的一部分，它在不同的锁状态下会存储不同的信息。在32位虚拟机中，MarkWord的长度是32位（4个字节），在64位虚拟机中，MarkWord的长度是64位（8个字节）。以下是不同锁状态下MarkWord的存储内容：

• 无锁状态：在无锁状态下，MarkWord存储对象的哈希码、对象的分代年龄等信息。例如在32位虚拟机中，前25位存储对象的哈希码，后4位存储对象的分代年龄，最后3位是锁标志位（01表示无锁）。
• 偏向锁状态：当对象进入偏向锁状态时，MarkWord中会存储持有该锁的线程ID等信息。
• 轻量级锁状态：在轻量级锁状态下，MarkWord会存储指向栈帧中锁记录的指针。
• 重量级锁状态：当对象处于重量级锁状态时，MarkWord会存储指向Monitor对象的指针。

3.3 再说Monitor重量级锁

当多个线程竞争同一个锁，且竞争比较激烈时，轻量级锁会升级为重量级锁。此时，MarkWord中存储的是指向ObjectMonitor的指针。重量级锁是通过操作系统的互斥量（Mutex）来实现的，线程获取和释放锁都需要进行用户态和内核态的切换，这种切换开销比较大。

当一个线程进入synchronized同步代码块时，如果发现是重量级锁，它会进入ObjectMonitor的EntryList队列中等待。持有锁的线程执行完同步代码后，会释放锁，然后从EntryList队列中唤醒一个等待的线程。被唤醒的线程会再次尝试获取锁，获取成功后才能执行同步代码。

3.4 轻量级锁

轻量级锁是为了在没有多线程竞争或者竞争不激烈的情况下，减少获取锁和释放锁的开销而引入的。当一个线程进入synchronized同步代码块时，会在当前线程的栈帧中创建一个锁记录（Lock Record），并将MarkWord复制到锁记录中。然后，线程尝试通过CAS（Compare and Swap，比较并交换）操作将MarkWord更新为指向锁记录的指针。如果CAS操作成功，说明该线程获取到了轻量级锁，就可以执行同步代码。

如果CAS操作失败，说明有其他线程已经持有了该锁，此时轻量级锁会尝试自旋（Spin）一定次数来等待锁的释放。自旋是指线程不放弃CPU的执行权，在原地等待一段时间，希望持有锁的线程能尽快释放锁。如果自旋一定次数后仍然没有获取到锁，轻量级锁就会升级为重量级锁。

3.5 偏向锁

偏向锁是在JDK 6中引入的，它的目的是为了在只有一个线程访问同步代码块的情况下，进一步减少获取锁的开销。当一个线程访问synchronized同步代码块时，会检查MarkWord中是否已经记录了该线程的ID。如果已经记录，说明该线程已经持有了偏向锁，直接进入同步代码块执行。

如果MarkWord中没有记录该线程的ID，会通过CAS操作将线程ID记录到MarkWord中。如果CAS操作成功，就表示该线程获取到了偏向锁。当有其他线程尝试获取该锁时，偏向锁会被撤销，升级为轻量级锁。

3.6 谈谈JMM（Java内存模型）

Java内存模型（JMM）定义了Java程序中多线程访问共享变量的规则。它规定了一个线程如何和何时可以看到由其他线程修改过后的共享变量的值，以及在必须时如何同步的访问共享变量。

在synchronized关键字的实现中，JMM起到了重要的作用。当一个线程获取到锁进入synchronized同步代码块时，会从主内存中读取共享变量的值到工作内存中。在同步代码块执行过程中，对共享变量的修改会先在工作内存中进行。当线程执行完同步代码块释放锁时，会将工作内存中修改后的共享变量的值写回到主内存中。这样可以保证在同一时刻，只有一个线程能够对共享变量进行修改，并且其他线程能够看到最新的修改结果，从而保证了多线程环境下共享变量的可见性和一致性。

通过对synchronized关键字从基本使用到深入底层原理的剖析，包括Monitor机制、对象内存结构、不同锁状态以及与Java内存模型的关系等方面，我们对synchronized在Java并发编程中的作用和实现有了一个全面而深入的理解。这有助于我们在实际开发中更合理、高效地使用synchronized来解决多线程同步问题。