【Java并发编程】Synchronized关键字实现原理

它的主要特性是同步锁、非公平锁、阻塞锁、可以保证线程安全（可见性、原子性、有序性）

JDK1.6之后对Synchronized有优化，有个锁升级过程

1、Synchronized之保障线程安全

多线程情况下保障线程安全的方法有很多，一般都是通过加锁去竞争同一个资源，来达到互斥的效果，那么Synchronized是如何保障线程安全的呢

1.1、原子性

它的主要含义是要么全部成功要么全部失败，不允许部分成功部分失败，多线程中原子性是指一个或者多个操作在CPU中执行的过程中出现了被中断的情况

原子性产生的原因主要是有两个：

CPU时间切换
CPU处于空闲状态就会把时间片分配给其他线程进行处理，有两个线程对变量进行修改，会有一个A、线程先得到CPU的执行权，它将变量加载到寄存器后CPU切换为另一个B线程执行，B线程同样加载变量到寄存器，最后把结果写回内存，这时候两个变量值可能会一致
程序本身执行不具备原子性
这个可以用常见的i++来说明，i++本身不具备原子性，因为它分为了三个操作，先获取值，加一，赋值。这里每一步都是原子性，可是组合在一起就不具备原子性

解决原子性的办法有两个

通过一个互斥条件来达到同时一刻只有一个线程执行
使操作具有原子性，不允许执行过程被中断

为了保证原子性可以在方法上加上Synchronized关键字

1.2、可见性

1.2.1、为什么会存在可见性问题？

1.2.1.1、高速缓存

它的本质是因为，CPU是计算机的核心，它在做运算的时候无法避免从内存中读取数据和指令，即使存储在磁盘的数据也要加载到内存中CPU才能访问，CPU与内存之间无法避免IO操作。CPU向内存发起读取操作，需要等待内存返回结果，此时CPU处于等待状态，如果等待返回之后CPU再执行其他指令会浪费CPU资源。因此在硬件、操作系统、编译器都做了不少优化，正因为这些优化导致出现了可见性问题

例如加入了CPU高速缓存，高速的缓存的作用就是CPU在读取数据的时候会先从高速缓存中读取，如果高速缓存中没有就会从内存中读取

高速缓存又分为三部分：L1、L2、L3

每块CPU里有多个内核，而每个内核都维护了自己的缓存

L1和2属于CPU核内私有缓存，L3属于共享缓存，三块缓存从存储的数据大小排序来说L3>L2>L1，从访问速度来说L1>L2>L3

访问数据从L1中开始查找，然后是L2，最后访问L3如果还没有命中就会从内存中加载数据，加载数据会从L3到L2最后到L1

1.2.2、缓存一致性问题

虽然有高速缓存提高了访问速度，但是一个CPU有多核，每一个线程可能运行在不同的CPU核内，如果多个线程同时访问数据，那么同一份数据就有可能被缓存到多个CPU核内，就会存在缓存一致性问题：两个线程同时加载一块数据到CPU高速缓存中时，如何保证一个数据被修改后在其他缓存中的值也能保持一致，而不是获取到的初始值。CPU解决这个问题使用到了

1.2.2.1、总线锁

操作系统使用总线锁可以解决这个缓存一致性问题，它的原理就是在CPU与内存传输的通道上加了一个LOCK信号，这个信号确保同一时刻只有当前CPU才能访问共享内存，使得其他处理器对内存的操作请求都会被阻塞，但是这样又会使CPU的使用效率下降。

1.2.2.2、缓存锁

为了CPU使用效率下降解决这个问题，引入了缓存锁，当数据已经存在高速缓存中的某个CPU核内私有区域，不使用总线锁而使用缓存一致性解决问题

1.2.2.3、缓存一致性

缓存锁就是通过缓存一致性协议来保证一致性的，不同的CPU支持的缓存一致性协议不同，比较常见就是MSI、MESI、MOSI、MESIF，最常用的就是MESI（Modify Exclusive Shared Invalid）,它表示四种状态：

M(Modify) 表示共享数据只缓存在当前 CPU 缓存中，并且是被修改状态，也就是缓存的数据和主内存中的数据不一致
E(Exclusive) 表示缓存的独占状态，数据只缓存在当前 CPU 缓存中，并且没有被修改
S(Shared) 表示数据可能被多个 CPU 缓存，并且各个缓存中的数据和主内存数据一致
I(Invalid) 表示缓存已经失效

这四种状态会基于缓存行的状态而变化，不同的状态会有不同的监听任务

一个处于M状态的缓存行，必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回内存
一个处于S状态的缓存行，必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为I
一个处于E状态的缓存行，必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为S

监听过程使基于嗅探协议完成的，该协议要求每个CPU都可以监听到总线上的数据事件变化并作出反应，这个缓存一致性原理就是

首先CPU0发送一个指令从主内存中读取x变量，然后加载到了高速缓存中，这时候缓存的状态为E
如果CPU1这时候也要读取x变量的值，就会检测到本地含有该缓存发生冲突，CPU0会通过嗅探协议里面的Read Response消息响应给CPU1，这时候x变量存在于CPU0和CPU1中，缓存的状态变成了S
CPU0拿到x变量的值以后进行修改为x=20，写入主内存中，这时候缓存的状态变为了E，缓存行变为共享状态，同时还需要发送一个Invalidate消息给其他缓存，其他缓存CPU1收到后缓存状态变为Invaild，CPU1里面的x变量值缓存失效，需要从主内存中重新获取值

这个就是基于缓存一致性保证缓存的一致性原理

synchronized就是基于该原理，对进入同一个锁（监视器）的线程保证可见性，在修改了本地内存中的变量后，解锁前会将本地内存修改的内容刷新到主内存中，确保了共享变量的值是最新的，也就保证了可见性

1.2.3、Happens-Before

在JMM内存模型中还定义了一个Happens-Before模型用来保证可见性，这个模型主要描述的就是两个指令操作之间的关系，如果 A happens-before B，意思就是A发生在B之前，那么A的结果对B可见，它主要有如下常见6种规则。

程序顺序规则：一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作
传递性规则：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C
Volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读
监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁
start规则：这条是关于线程启动的。它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作
join规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回

我们只需要理解Happens-Before规则，既可以编写线程安全的程序了

1.3、有序性

CPU为了提升性能会对编译器、处理器以及代码指令重排序，这种排序在单线程下没问题结果不会受到影响，但如果是多线程操作下就不一定了，可能出现脏数据

就拿最容易复原的指令重排序如何影响程序执行的结果

int x=0;
int y=0;
void handleA(){
  int x=10;
  int y=20;
}
void handleB(){
  if(y==20){
     assert(x==10);
  }
}

指令重排序就是程序的执行顺序和代码的编写顺序不一定一致，两个线程同时执行可能会出现在handleB方法里面y== 20的情况，但是x==10断言失败，出现这种情况的原因是因为在执行handleA方法的时候，因为x、y没有依赖关系，有可能先赋值y=20，这时候刚好handleB()方法判断成功，而x这时候还没有赋值，导致断言失败，这就是多线程环境下的重排序问题，也会导致可见性问题

1.3.1、as-if-serial语义

它表示所有的程序指令都可以因为优化而被重排序，但是要保证在单线程环境下，重排序之后的运行结果和程序代码本身的执行结果一致，CPU指令重排序、Java编译器都需要保证在单线程环境下as-if-serial语义是正确的。存在依赖关系的不会被排序

int x=10;  //1
int y=20;  //2
int c=x+y; //3

按照正常执行顺序就是1、2、3，经过重排序之后可能是2、1、3，但绝对不会是3、2、1，因为as-if-serial语义可以保证排序后和之前结果一致

synchronized能够保证有序性的是因为单线程独占CPU，根据as-if-serial语义，无论编译器和处理器怎么优化或指令重排，单线程下的运行结果一定是正确的。

2、Synchronized原理

Synchronized有两种加锁方式：修饰方法、代码块，这两种方式实现的底层有些不同，但同样的是monitor和对象头是实现Synchronized的关键

2.1、Synchronized修饰方法

public class Teacher {
    public static int i = 0;
    public static synchronized void syncLock() {
        i++;
    }
}

通过Java- v Teacher.class反编译之后

发现这个方法有三个标识，其中比较醒目的就是ACC_SYNCHRONIZED，它是用来标记当前方法为同步方法

2.2、Synchronized修饰代码块

public class Teacher {
    public static int i = 0;
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (Teacher.class){
        }
    }
}

通过Java- v Teacher.class反编译之后

发现会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个指令包裹起来，后面还多一个monitorexit，这个作用是防止代码块里面有异常无法释放锁，所有会用第二个monitorexit指令来保证释放，这两个指令都是属于Monitor对象，底层是C ++的ObjectMonitor实现，也是依赖于操作系统的mutex lock来实现的。

倘若线程获取不到锁，通过一定次数的自旋最后阻塞升级为重量级锁，未抢占到锁的线程进入等待队列，那么这里又是如何实现的呢，参考ObjectMonitor的实现

2.3、ObjectMonitor源码

ObjectMonitor::ObjectMonitor() {  
  _header       = NULL;  
  _count       = 0;  
  _waiters      = 0,  
  _recursions   = 0;      
  _object       = NULL;  
  _owner        = NULL;  
  _WaitSet      = NULL; 
  _WaitSetLock  = 0 ;  
  _Responsible  = NULL ;  
  _succ         = NULL ;  
  _cxq          = NULL ;  
  FreeNext      = NULL ;  
  _EntryList    = NULL ;   
  _SpinFreq     = 0 ;  
  _SpinClock    = 0 ;  
  OwnerIsThread = 0 ;  
}

里面主要参数是：

WaitSet：阻塞后等待唤醒的队列，为双向循环链表
EntryList：准备获取锁的线程队列
owner：标识拥有锁的线程
count：线程重入次数

1、首先线程会进入EntryList，然后尝试获取Monitor对象，获取成功后把owner标记为当前线程，然后count次数+1，执行完毕后会释放Monitor对象，并把owner设置为null，然后count减1，只有当count等于0才能够获取到锁

2、假如线程进入EntryList后获取Monitor失败，就会进入WaitSet的尾部节点中，等待Monitor对象释放后，会根据操作唤醒一个或全部线程进入EntryList中，处于EntryList中的线程都会抢占锁

Monitor对象存在于每个Java对象的对象头Mark Word中（存储的指针的指向），它也被称之为“监视器锁”，这就是为什么任意对象都可以作为锁的原因

3、Synchronized锁对象

3.1、Java对象内存布局

一个对象初始化之后会被存储在堆内存中，一个对象又分为三部分：对象头、实例数据、对其填充

对象头

其中对象头又分为三部分

Mark Word：记录了对象和锁相关的信息，主要包含了GC分代年龄、锁的状态标记、HashCode、epoch等等信息
Klass Pointer：代表指向类的指针，通过指针来找到具体的实例
Length：表示数组的长度，只有数组对象才会有这个属性值

实例数据

实例数据表示一个类里面所有的成员的变量

public class Student{
  int age=0;
  boolean state=false;
}

例如这些成员变量就存储在实例数据里面，实例数据占用的空间是由成员变量的类型决定的比如int占4个字节

对齐填充

对齐填充没有什么实际含义，主要是使得当前实例变量占用空间是8的倍数，这样做的目的是为了减少CPU访问内存的频率，为什么会频繁的访问内存？这个问题涉及到了高速缓存中的缓存行，CPU每次从内存加载8个字节的的数据到缓存行中，也意味着高速缓存存储的是连续的数据，每个缓存行大小是64位，意思如果是一个8个字节的变量，需要存储8个才能把该缓存行占满

但是存在这样一种情况，两个线程同时去读取该缓存上不同的值Long2、Long8，就会使同时缓存该缓存行，为了保证缓存一致性就会使一部分缓存失效，导致一个线程需要重新去获取，重新加载到缓存行，如果线程访问频繁就会使缓存反复失效，形成伪共享问题，为了减少CPU访问内存的频率，那么必须要变量不在于同一缓存行中，使用对其填充使两个变量分开，在一个变量前后填充7个填充变量，就可以使两个值分布于不同缓存行，比如在Long2前后填充七个

之所以要做前后填充是为了使无论Long2处于什么位置都可以保证它处于不同的缓存行，避免出现伪共享问题

还有一种作用，假如需要读取Long类型的数据的时候，它分布在两个缓存行中，如果没有对其填充需要读取缓存行A和缓存行B才可以获得真正的数据

使用对其填充之后,在缓存行B中可以直接读取到全部数据，减少了CPU访问次数

在对齐填充的布局中，虽然做了无效填充，但是访问内存次数少了，本质上来说是一种时间换空间的设计方式。

一个类对象在JVM中对象存储的布局

public  class Student(){
    private  String name;
    public static void main(String[] args) {
        Student stu=new Student();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(stu).toPrintable());
    }
}

使用ClassLayout查看对象布局

OFFSET：偏移地址
SIZE：占用内存大小
TYPE DESCRIPTION：类型描述
value：内存中存储的值

对象字段代表为：

对象头：TYPE DESCRIPTION中（object header）类型的，总共3个占用12字节的内存，前两行SIZE加起来为8字节的代表Mark Word，第三行4字节的代表类型指针Klass Pointer，不压缩会占用8个字节
对齐填充：TYPE DESCRIPTION中（(loss due to the next object alignment)）类型的，本身4个字节，填充了12个字节总共16字节，主要为了保证是8的倍数
实例数据：Instance size，总共16个字节

3.2、Java锁结构信息

Java锁包含在对象头里面，Mark Word中记录了对象和锁的信息，锁的标记和相关信息都存储在里面

锁状态	偏向锁标记	锁标记
无锁	0	01
偏向锁	1	01
轻量级锁		00
重量级锁		10
GC标记		11

Mark Word使用2bit来存储锁的标记，也就是两位数最多只能存储4个数：00、01、10、11。而锁的状态有五种，超出一种就多使用了1个bit的偏向锁来表达。

【Java并发编程】Synchronized关键字实现原理（一）