java多线程-synchronized原理（五）

synchronized其应用层的语义是可以把任何一个非null对象作为”锁”。

Synchronized是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的。而操作系统实现线程之间的切换就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”。
锁优化：JDK中对Synchronized做的种种优化，其核心都是为了减少这种重量级锁的使用。JDK1.6以后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，提高性能，引入了“自旋锁”，“锁消除”，“轻量级锁”和“偏向锁”。
每个对象有一个监视器锁（monitor），而Synchronized就是通过monitor来实现的，所以Synchronized和对象头息息相关，Synchronized加锁就是给对象加锁.在方法前面加锁是对当前访问对象的加锁，在Synchronized块中需要指定一个对象，可以是this。Synchronized方法中默认也是this对象。在静态方法上加Synchronized是对类加锁，类再对所有当前类的所有对象加锁，所以最后还是对象锁。

java对象的monitor机制和传统的临界检查代码区技术不一样。java的一个类一个同步方法并不意味着同时只有一个线程独占执行（不同对象的同步方法可以同时执行），但临界检查代码区技术确会保证同步方法在一个时刻只被一个线程独占执行。
java的monitor机制的准确含义是：任何时刻，对一个指定object对象的某同步方法只能由一个线程来调用。
java对象的monitor是跟随object实例来使用的，而不是跟随程序代码。两个线程可以同时执行相同的同步方法，比如：一个类的同步方法是xMethod()，有a,b两个对象实例，一个线程执行a.xMethod()，另一个线程执行b.xMethod(). 互不冲突（这个也是前面一张讲的不同对象不同锁，多个对象多把锁，锁只能对同一个对象有用）

monitor机制

代码如下：

public void serviceC() {
        synchronized (object) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println("i=" + i);
            }
        }
    }


    synchronized public void serviceD() {
        try {
            System.out.println("threadB ...start");
            Thread.sleep(100);
            System.out.println("threadB ...end");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    synchronized public static void service() {
        int i = 10;
        System.out.println(i);
    }
 ```

反编译一下

javac Thread5.java
javap -verbose Thread5.class


```shell
public void serviceC();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #5                  // Field object:Ljava/lang/Object;
         4: dup
         5: astore_1
         6: monitorenter
         7: goto          7
        10: astore_2
        11: aload_1
        12: monitorexit
        13: aload_2
        14: athrow
      Exception table:
         from    to  target type
             7    13    10   any
      LineNumberTable:
        line 31: 0
        line 32: 7
        line 35: 10
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 252 /* append */
          offset_delta = 7
          locals = [ class java/lang/Object ]
        frame_type = 66 /* same_locals_1_stack_item */
          stack = [ class java/lang/Throwable ]

  public synchronized void serviceD();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: getstatic     #6                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #8                  // String threadB ...start
         5: invokevirtual #9                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: ldc2_w        #10                 // long 100l
        11: invokestatic  #12                 // Method java/lang/Thread.sleep:(J)V
        14: getstatic     #6                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        17: ldc           #13                 // String threadB ...end
        19: invokevirtual #9                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        22: goto          30
        25: astore_1
        26: aload_1
        27: invokevirtual #15                 // Method java/lang/InterruptedException.printStackTrace:()V
        30: return
      Exception table:
         from    to  target type
             0    22    25   Class java/lang/InterruptedException
      LineNumberTable:
        line 40: 0
        line 41: 8
        line 42: 14
        line 45: 22
        line 43: 25
        line 44: 26
        line 46: 30
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 89 /* same_locals_1_stack_item */
          stack = [ class java/lang/InterruptedException ]
        frame_type = 4 /* same */

  public static synchronized void service();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=0
         0: bipush        10
         2: istore_0
         3: getstatic     #6                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         6: iload_0
         7: invokevirtual #7                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        10: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
        line 9: 3
        line 10: 10

可以看到serviceC是同步代码块，在反编译后多出了monitorenter，monitorexit命令。

monitorenter：每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：
1、如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。
2、如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1，线程获取monitor权限后可以多次在此进入monitor，这就是重入，不然就会死锁了。
3、如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。

monitorexit：
执行monitorexit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。
指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

通过这两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原。

service，serviceD是同步方法，在flags中多了一个ACC_SYNCHRONIZED标示。

从反编译的结果来看，方法的同步并没有通过指令monitorenter和monitorexit来完成（理论上其实也可以通过这两条指令来实现），不过相对于普通方法，其常量池中多了ACC_SYNCHRONIZED标示符。JVM就是根据该标示符来实现方法的同步的：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，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

synchronized是的线程状态及状态转换

当多个线程同时请求某个对象监视器时，对象监视器会设置几种状态用来区分请求的线程：

Contention List：所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列
Entry List：Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List
Wait Set：那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set
OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck
Owner：获得锁的线程称为Owner
!Owner：释放锁的线程

新请求锁的线程将首先被加入到ConetentionList中，当某个拥有锁的线程（Owner状态）调用unlock之后，如果发现 EntryList为空则从ContentionList中移动线程到EntryList。

注：那些处于ContetionList、EntryList、WaitSet中的线程均处于阻塞状态,阻塞后线程会被挂起不在拥有CPU控制权，阻塞操作由操作系统完成（在Linxu下通过pthread_mutex_lock函数）。线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能。

有时候用户实际操作的时间小于系统从用户态与内核态之间来回切换时间，这个时候性能是大大降低的。就是说实际操作花了1ms，线程状态切换花了2ms，那锁的消耗是比较严重的损害性能的。这里也只是说的一个例外，一般情况下不会发生。

ContentionList 虚拟队列

ContentionList 并不是一个真正的Queue，而只是一个虚拟队列，原因在于ContentionList是由Node及其next指针逻辑构成，并不存在一个Queue的数据结构。ContentionList是一个先进先出（FIFO）的队列，每次新加入Node时都会在队头进行，通过CAS改变第一个节点的的指针为新增节点，同时设置新增节点的next指向后续节点，而取得操作则发生在队尾。显然，该结构其实是个Lock- Free的队列。
因为只有Owner线程才能从队尾取元素，也即线程出列操作无争用，当然也就避免了CAS的ABA问题。

新来的线程排在队前；队后的先进入到EntryList区域。

EntryList

EntryList与ContentionList逻辑上同属等待队列，ContentionList会被线程并发访问，为了降低对 ContentionList队尾的争用，而建立EntryList。Owner线程在unlock时会从ContentionList中迁移线程到 EntryList，并会指定EntryList中的某个线程（一般为Head）为Ready（OnDeck）线程。Owner线程并不是把锁传递给 OnDeck线程，只是把竞争锁的权利交给OnDeck，OnDeck线程需要重新竞争锁。这样做虽然牺牲了一定的公平性，但极大的提高了整体吞吐量，在 Hotspot中把OnDeck的选择行为称之为“竞争切换”。

OnDeck线程获得锁后即变为owner线程，无法获得锁则会依然留在EntryList中，考虑到公平性，在EntryList中的位置不发生变化（依然在队头）。如果Owner线程被wait方法阻塞，则转移到WaitSet队列；如果在某个时刻被notify/notifyAll唤醒，则再次转移到EntryList。

锁优化

上面说了synchronized被阻塞的线程会被挂起，在线程用户态和核心态之间切换消耗时间。所以这个时候就有了锁优化了。

自旋锁
当发生争用时，若Owner线程能在很短的时间内释放锁，则那些正在争用线程可以稍微等一等（自旋），在Owner线程释放锁后，争用线程可能会立即得到锁，从而避免了系统阻塞。但Owner运行的时间可能会超出了临界值，争用线程自旋一段时间后还是无法获得锁，这时争用线程则会停止自旋进入阻塞状态（后退）。基本思路就是自旋，不成功再阻塞，尽量降低阻塞的可能性，这对那些执行时间很短的代码块来说有非常重要的性能提高。自旋锁有个更贴切的名字：自旋-指数后退锁，也即复合锁。很显然，自旋在多处理器上才有意义。

还有个问题是，线程自旋时做些啥？其实啥都不做，可以执行几次for循环，可以执行几条空的汇编指令，目的是占着CPU不放，等待获取锁的机会。所以说，自旋是把双刃剑，如果旋的时间过长会影响整体性能，时间过短又达不到延迟阻塞的目的。显然，自旋的周期选择显得非常重要，但这与操作系统、硬件体系、系统的负载等诸多场景相关，很难选择，如果选择不当，不但性能得不到提高，可能还会下降，因此大家普遍认为自旋锁不具有扩展性。

自旋优化策略
对自旋锁周期的选择上，HotSpot认为最佳时间应是一个线程上下文切换的时间，但目前并没有做到。经过调查，目前只是通过汇编暂停了几个CPU周期，除了自旋周期选择，HotSpot还进行许多其他的自旋优化策略，具体如下：

如果平均负载小于CPUs则一直自旋
如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞
如果正在自旋的线程发现Owner发生了变化则延迟自旋时间（自旋计数）或进入阻塞
如果CPU处于节电模式则停止自旋
自旋时间的最坏情况是CPU的存储延迟（CPU A存储了一个数据，到CPU B得知这个数据直接的时间差）
自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异

那synchronized实现何时使用了自旋锁？答案是在线程进入ContentionList时，也即第一步操作前。线程在进入等待队列时首先进行自旋尝试获得锁，如果不成功再进入等待队列。这对那些已经在等待队列中的线程来说，稍微显得不公平。还有一个不公平的地方是自旋线程可能会抢占了 Ready线程的锁。自旋锁由每个监视对象维护，每个监视对象一个。

锁的优化发生在上图的第2，3步，因为这个时候要竞争进入onDeck。wait不存在锁优化，它需要的是等待被唤醒。

参考文献：

http://www.cnblogs.com/lykm02/p/4516777.html
更多锁优化，参看《java多线程-线程安全与锁优化》章节。