Synchronized的实现原理与应用
在多线程并发编程中线程安全和数据同步一直以来都是不可避免的问题，在JDK1.5版本之前，要解决这个问题需要使用synchronized关键字，synchronized提供了一种排他机制，也就是在同一时间只能有一个线程执行某些操作，很多人都会称呼它为重量级锁，但是随着JDK1.6对synchronized进行了各种优化之后，有些情况下它就并不会显得那么重了。下面我们一起来探究synchronized的实现原理，以及JDK1.6是如何对它进行优化，以及锁的存储结构和升级过程。
synchronized实现原理
synchronized关键字可以实现一个简单的策略来防止线程干扰和内存一致性问题，如果一个共享资源对多个线程是可见的，那么该资源的所有读或者写都将通过同步的方式来进行，具体表现如下：
- synchronized提供了一种锁的机制，能够确保共享变量的互斥访问，从而防止数据不一致问题得出现
- synchronized在JVM中实现原理是基于进入和退出Monitor对象来实现方法的同步和代码块同步。
- 同步代码块是使用monitorenter 和 monitorexit两个JVM指令实现的。monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块开始的位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处。
- 在任何时候任何线程执行到monitorenter成功之前都必须从主内存中获取数据，在monitorexit运行成功之后，共享资源被更新后的值必须刷入主内存。
- synchronized的指令严格遵守java happens-before规则，一个monitorexit指令之前必定要有一个monitorenter指令。
- Java中每个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础，具体表现形式如下
- 对于普通同步方法，锁是当前实例对象
- 对于静态同步方法，所示当前类的Class对象
- 对于同步方法块，锁是synchronized括号里设置的对象
synchronized堆栈分析&JVM指令分析
public class ThreadTest {
public void test() {
synchronized (this) {
System.out.println("当前线程:"+Thread.currentThread().getName());
}
}
public static void main(String[] args){
ThreadTest test = new ThreadTest();
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test.test();
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
test.test();
}
});
t1.start();
t2.start();
}
}
上面的代码非常简单，在test方法中使用同步代码块方式进行的线程同步，在main方法中定义了2个线程调用test方法，由于同步代码块的互斥性，只能有一个线程获取了mutex monitor的锁，其它的线程只能进入阻塞状态，等待获取mutex monitor的锁的线程释放锁，我可以用JDK自带的工具jconsole来查看堆栈信息，运行上面代码，打开jconsole会看到如下图所示：
- 然后我们选中我们运行的程序连接，然后点开线程一栏查看：
- 我们可以很清楚看到我们创建的两个线程，Thread-0和Thread-1，此时Thread-0处于RUNNABLE状态也就是就绪状态，而Thread-1处于BLOCKED状态，并且清楚的告诉了我们锁拥有者是Thread-0线程。我们再通过jstack命令打印进程的线程的堆栈信息，截取关键的地方对其进行分析：
Thread-0持有monitor <0x00000007976030e0> 的锁，Thread1线程进入BLOCKED状态并且等待着获取monitor <0x00000007976030e0>。
下面我们再通过JDK命令javap对ThreadTest类进行反汇编，会发现输出了大量的JVM指令，在这些指令中，会发现monitor enter和monitor exit是成对出现的（有些时候会出现一个monitor enter，多个monitor exit，但是每一个monitor exit之前必有对应的monitor enter)，运行如下的命令：
javap -c ThreadTest
public class com.yuxuan.thread2.ThreadTest {
public com.yuxuan.thread2.ThreadTest();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public void test();
Code:
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter
4: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
7: new #3 // class java/lang/StringBuilder
10: dup
11: invokespecial #4 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
14: ldc #5 // String 当前线程:
16: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
19: invokestatic #7 // Method java/lang/Thread.currentThread:()Ljava/lang/Thread;
22: invokevirtual #8 // Method java/lang/Thread.getName:()Ljava/lang/String;
25: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
28: invokevirtual #9 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
31: invokevirtual #10 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
34: aload_1
35: monitorexit
36: goto 44
39: astore_2
40: aload_1
41: monitorexit
42: aload_2
43: athrow
44: return
Monitorenter
一个monitor的lock的锁只会被一个线程在同一时间获得，在一个线程尝试获取monitor的所有权时会发生下面几件事：
- 如果monitor的计数器为0，则代表该monitor的lock还没有被获得，一旦被某个线程获得之后会即将对该monitor的计数器加一，也就意味着该线程就是这个monitor的所有者了。
- 如果一个已经拥有该monitor所有权的线程重入，则会导致monitor计数器累加。
- 如果monitor已经被其他线程拥有，则其他线程尝试获取该monitor所有权时，会陷入阻塞状态直到monitor计数器变为0，才能再次尝试获取monitor的所有权
Monitorexit
释放monitor所有权的过程相对比较简单，就是将monitor的计数器减一，如果计数器为0，那就意味着该线程不再拥有对该monitor的所有权，也就是我们常说的解锁。在此同时被该monitor block的线程将再次尝试获取该monitor的所有权。
使用synchronized的注意点
- 与monitor关联的对象不能为空，也就是锁对象不能为null。
- synchronized作用于太大，如果synchronized作用于越大，则代表期效率越低。
- 不同的monitor企图锁相同的方法或者代码块。
- 多个锁的交叉从而导致死锁
