JDK成长记15：从0分析你不知道的synchronized底层原理（上）

前几节你应该已经了解和掌握了Thread、ThreadLocal、Volatile这几个并发基础知识的底层原理。这一节，你可以跟我一起深入了解下synchronized关键字的底层原理和其涉及的基础知识。看完这篇成长记，你可以获取到如下几点：

synchronized预备知识：

• 理解什么是CAS？
• synchronized会形成几种锁的类型
• HotspotJVM虚拟机Java对象内存中的布局结构是什么，markword是锁的关键字段？
• 操作系统中用户态和内核态的资源操作和进程是什么意思？

synchronized核心流程及原理：

• 从3个层面初步分析sychronized的核心流程和原理

好了，让我们一起开始吧！

HelloSychronized

我们来写一个多线程i++的程序，体验一下，多线程如果是并发的修改一个数据，会有什么样的线程并发安全问题。

刚才说过了，volatile，解决的对一个共享数据，有人写，有人读，多个线程并发读和写的可见性的问题，而多个线程对一个共享数据并发的写，可能会导致数据出错，产生原子性的问题。

volatile为什么不能保证原子性？ 从JMM内存模型就可以看出来，多个线程同时修改一个变量，都是在自己本地内存中修改，volatile只是保证一个线程修改，另一个线程读的时候，发起修改的线程是强制刷新数据主存，过期其他线程的工作内存的缓存，没法做到多个线程在本地内存同时写的时候，限制只能有一个线程修改，因为线程自己修改自己内存的数据没有发生竞争关系。而且之后会给各自写入主内存，当然就保证不了只能有一个线程修改主内存的数据，做不到原子性了。

为了解决这个问题，可以使用syncrhonized给修改这个操作加一把锁，一旦说某个线程加了一把锁之后，就会保证，其他的线程没法去读取和修改这个变量的值了，同一时间，只有一个线程可以读这个数据以及修改这个数据，别的线程都会卡在尝试获取锁那儿。这样也就不会出现并发同时修改，数据出错，原子性问题了。

synchronized锁一般有两类，一种是对某个实例对象来加锁，另外一种是对这个类进行加锁。相信大家很熟悉了，这里用一个Hello synchronized的小例子，举一个简单对象加锁的例子。

代码如下：

  public class HelloSynchronized {
    public static void main(String[] args) {
      Object o = new Object();
      synchronized (o){
      }
    }
  }

对类加锁和对实例对象的更多例子这里就不举例了，我们更多的是研究synchronized它的底层原理。基本的使用相信你一定可以自己学习到。

在分析sychronized原理期间，需要不断的补充一些基础知识。

学习sychronized先决条件(Prerequisites)

• sychronized锁的概念

在JDK 早期 sychronized 使用的时候，直接创建的重量级锁，性能很不好。

在之后JDK新的版本中，sychronized优化了锁，分为了4种，无锁态、偏向锁、自旋锁（轻量锁）、重量锁，会根据情况自动升级锁。

这四种锁分别表示什么意思呢？

无锁态表示第一次对刚创建的对象或者类加锁时的状态。我发现只有一个线程在操作代码块的资源，压根不需要加锁。此时会处于无锁态。

偏向锁，类似于贴标签，表示这个资源暂时属于某个线程，偏向它所有了。打个比方，就好比一个座位只能做一个人，你坐下后，在座位上贴上了你自己的标签。别人发现已经有标签了，肯定就不会在坐了。

**轻量锁（自旋锁）：**轻量锁，底层是CAS自旋的操作，所以也叫自旋锁。这里简单普及下自旋CAS的操作流程，之后将Aotmic类的时候会仔细讲下。CAS自旋流程如下：

最后我们来聊下什么是重量级锁？这又要牵扯另一个知识了。在Linux操作系统层面，由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级用户态和内核态。用于表示进程运行时所处状态。

你可以简单理解，一个程序启动后会有对应的进程，它们操作的资源分为两种，属于用户态的资源或者内核态的资源。

用户态是不能直接操作内核态中资源的，只能通知内核态来操作。这个在硬件级别也有对应的指令级别（比如Intel ring0-ring3级别的指令，ring0级别一般对应的就是用户态进程可以操作的指令，ring3对应的是内核态进程可以发起的指令）。

如下图所示：

这个和synchronized有什么关系呢？因为synchronized加重量级锁的操作，是对硬件资源的锁指令操作，所以肯定是需要处于内核态的进程才可以操作，JVM的进程只是处于用户态的进程，所以需要向操作系统申请，这个过程肯定会很消耗资源的。

比如，synchronized的本质是JVM用户空间的一个进程（处于用户态）向操作系统(内核态)发起一个lock的锁指令操作 。

C++代码如下：

  //Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
  \#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; local; 1 : "

如下图右边所示：

• sychronized锁状态的记录

了解了sychronized的锁的几种类型后，怎么标识是什么样的synchronized锁呢？这个就要聊到Java的对象在JVM的内存中的结构了。不同虚拟机结构略有差别，这里讲一下HotSpot虚拟机中的对象结构：

synchronized锁状态的信息就记录在markword中。markword在64位的操作系统上，8字节，64位大小的空间的区域。

不同的锁的标记在如下图所示：

这个表你不用背下来，你只要知道，synchronized的轻量锁和重量锁通过2位即可以区分出来，偏向锁和无锁需要3位。

有了上面的基础知识后，就可以开始研究synchronized的底层原理了。

字节码层面的synchronized

sychronized在Java代码层面就如上面Hello Synconized那个最简单的例子所示，我们来看下它的字节码层面是什么样子的？

上面main方法的字节码如下：

0 new #2 <java/lang/Object>
 3 dup
 4 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init>>
 7 astore_1
 8 aload_1
 9 dup
 10 astore_2
 11 monitorenter
 12 aload_2
 13 monitorexit
 14 goto 22 (+8)
 17 astore_3
 18 aload_2
 19 monitorexit
 20 aload_3
 21 athrow
 22 return

new、dup、invokespecial、 astore_1这些指令是学习volatile的时候你应该很熟悉了。我这里需要关注的是另外 2个核心的JVM指令：monitorenter、monitorexit。

这个表示sychronized加锁的同步代码块的进入和退出。为什么有两个monitorexit呢？一个是正常退出，一个抛出异常也会退出释放锁。

JVM层面的synchronized

那么，当 JVM的HotSpot实现中，当遇到这两个JVM指令，又是如何执行的呢？让我们来看一下。

在JVM HotSpot的C++代码实际执行过程中，执行了一个InterpreterRuntime:: monitorenter方法，代码如下：

  IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))

  \#ifdef ASSERT
   thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
  \#endif

   if (PrintBiasedLockingStatistics) {
    Atomic::inc(BiasedLocking::slow_path_entry_count_addr());
   }

   Handle h_obj(thread, elem->obj());

  assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()),
       "must be NULL or an object");
   if (UseBiasedLocking) {
    // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
    ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
   } else {
    ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);
   }

   assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(elem->obj()),

       "must be NULL or an object");

  \#ifdef ASSERT

   thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);

  \#endif

  IRT_END

你可以看下上面的方法的脉络（不懂C++也没有关系，懂if-else就行）。它的核心有两个if。

第一个if根据变量名字PrintBiasedLockingStatistics可以判断出应该是打印偏向锁的统计信息，明显不是最重要的。

第二个if同理，UseBiasedLocking表示了是否使用了偏向锁，如果是调用了ObjectSynchronizer::fast_enter否则

ObjectSynchronizer::slow_enter。

很明显，第二个if中是synchronized加锁的核心代码。我们还需要继续看下它们的脉络。

代码如下：synchronizer.cpp

void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock, bool attempt_rebias, TRAPS) {

    if (UseBiasedLocking) {
      if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
       BiasedLocking::Condition cond = BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);

       if (cond == BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {
        return;
       }

      } else {
       assert(!attempt_rebias, "can not rebias toward VM thread");
       BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
      }
      assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
    }
  
    slow_enter (obj, lock, THREAD) ;

    }

可以看到fast_enter方法，核心脉络除了取消偏向和重新偏向的逻辑（从变量明和注释可以看出来，这里暂时不重要，先忽略），最后核心脉络还是调用了slow_enter方法。让我们来看下：

void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {

   markOop mark = obj->mark();
   assert(!mark->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here"); 

   if (mark->is_neutral()) {
    // Anticipate successful CAS -- the ST of the displaced mark must
    // be visible <= the ST performed by the CAS.
    lock->set_displaced_header(mark);
    if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) {
     TEVENT (slow_enter: release stacklock) ;
     return ;
    }
    // Fall through to inflate() ...
   } else

   if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
    assert(lock != mark->locker(), "must not re-lock the same lock");
    assert(lock != (BasicLock*)obj->mark(), "don't relock with same BasicLock");
    lock->set_displaced_header(NULL);
    return;
   }


  \#if 0
   // The following optimization isn't particularly useful.
  if (mark->has_monitor() && mark->monitor()->is_entered(THREAD)) {
    lock->set_displaced_header (NULL) ;
    return ;
   }
  \#endif   

   // The object header will never be displaced to this lock,
   // so it does not matter what the value is, except that it
   // must be non-zero to avoid looking like a re-entrant lock,
   // and must not look locked either.
   lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
   ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);

  }

上面这一段是sychronized加锁，核心中的核心，可以发现很多有意思的地方：

1） 从注释可以看出，锁会有膨胀过程，对象头会记录锁的相关信息。

2） Atomic::cmpxchg_ptr体现了ompare and exchange (CAS)操作，是轻量级锁。

3） mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker()体现了synchronized是可重入锁

4） 最后的ObjectSynchronizer::inflate意思为膨胀为重量级锁。

C++的代码有很多细节和知识，你开始学习的时候不要想着全部搞清楚，一定要有之前学到的思想，先脉络后细节。搞清楚脉络再说研究细节的部分。

所以，通过初步看过synchronized的HotSpot C++代码实现，重点的脉络就是锁升级的过程和原理，接下来重点分析一下这个过程。

synchronized锁升级的过程

前面通过从字节码层面到JVM层面初步了解了synchronized的实现，结合之前说的sychronized的锁的几种类型。最终可以分析出来synchronized锁会有一个升级的过程。过程如下图所示：

这个图非常重要，大家一定要牢记住。下一节会花费整整一节来讲在这个图。