synchronized的底层实现

一、概念

（一）作用

• 确保线程互斥的访问同步代码
• 保证共享变量的修改能够及时可见
• 有效解决重排序问题

（二）使用场景

• 修饰代码块
• 修饰方法（普通方法和静态方法）

（三）可重入锁和不可重入锁

1.不可重入锁

当前线程执行某个方法已经获取了该锁，那么在方法中尝试再次获取锁时，就会获取不到被阻塞。

不可重入锁实现：

2.可重入锁

如果某个线程试图获取一个已经由他自己持有的锁，这个请求可以成功，那么此时的锁就是可重入锁

可重入锁实现：

为每个锁关联一个持有者和持有计数值，当计数值为 0 时，这个锁会被认为没有被任何线程持有，当现场请求一个未被持有的锁时，jvm 会把这个锁给这个线程，并记下这个锁的持有者，同时计数值置为 1，如果同一个线程再次获取这个锁，计数值将递增，当线程退出同步代码块时，计数值将递减，当计数值为 0 时，锁将被释放。

二、实现原理

synchronized 是由一对 monitorenter/monitorexit 指令实现的，monitor 对象是同步的基本实现单元。在 JVM 处理字节码会出现相关指令。

jvm 基于进入和退出 Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步。

代码块的同步是利用 monitorenter 和 monitorexit 这两个字节码指令。它们分别位于同步代码块的开始和结束位置。当 jvm 执行到 monitorenter 指令时，当前线程试图获取 monitor 对象的所有权，如果未加锁或者已经被当前线程所持有，就把锁的计数器 + 1；当执行 monitorexit 指令时，锁计数器 - 1；当锁计数器为 0 时，该锁就被释放了。如果获取 monitor 对象失败，该线程则会进入阻塞状态，直到其他线程释放锁。

方法级的同步是隐式，即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（虚拟机规范中用的是管程一词）， 然后再执行方法，最后再方法完成 (无论是正常完成还是非正常完成) 时释放 monitor。

三、锁升级原理（锁膨胀）

Synchronized 是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock（互斥锁）来实现的。而操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么 Synchronized 效率低的原因。因此，这种依赖于操作系统 Mutex Lock 所实现的锁我们称之为 “重量级锁”。

Java SE 1.6 为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了 “偏向锁” 和 “轻量级锁”：锁一共有 4 种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。锁可以升级但不能降级。

• 无锁：没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功，其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。

• 偏向锁：对象的代码一直被同一线程执行，不存在多个线程竞争，该线程在后续的执行中自动获取锁，降低获取锁带来的性能开销。

• 轻量级锁：轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被第二个线程 B 所访问，此时偏向锁就会升级为轻量级锁，线程 B 会通过自旋的形式尝试获取锁，线程不会阻塞，从而提高性能。

• 重量级锁：又有第三个线程来访时，轻量级锁也会升级为重量级锁。当有一个线程获取锁之后，其余所有等待获取该锁的线程都会处于阻塞状态。

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