[面试]synchronized

synchronized

把面试中遇到的问题进行了整理. 本篇文章copy+整理自:

1. http://www.cnblogs.com/lingepeiyong/archive/2012/10/30/2745973.html

2. http://www.cnblogs.com/paddix/p/5405678.html

3. https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483

请描述synchronized底层语义以及原理

Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现

你是怎么知道monitorenter的?

用javap命令进行反编译. 比如有这样一个java源代码: Main.java

javac Main.java   
 
javap -c Main.class

就可以看到反编译的代码了.

方法级的synchronized也是根据monitor实现的吗?

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。在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间抛 出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放。

描述一下等待唤醒机制与synchronized的联系?

所谓等待唤醒机制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。

wait()和sleep的区别?

与sleep方法不同的是, wait方法调用完成后，线程将被暂停，但wait方法将会释放当前持有的监视器锁(monitor)，直到有线程调用notify/notifyAll方法后方能继续执行，而sleep方法只让线程休眠并不释放锁。同时notify/notifyAll方法调用后，并不会马上释放监视器锁，而是在相应的synchronized(){}/synchronized方法执行结束后才自动释放锁。

什么是虚假唤醒？

举个例子，我们现在有一个生产者-消费者队列和三个线程。

1） 1号线程从队列中获取了一个元素，此时队列变为空。

2） 2号线程也想从队列中获取一个元素，但此时队列为空，2号线程便只能进入阻塞(cond.wait())，等待队列非空。

3） 这时，3号线程将一个元素入队，并调用cond.notify()唤醒条件变量。

4） 处于等待状态的2号线程接收到3号线程的唤醒信号，便准备解除阻塞状态，执行接下来的任务(获取队列中的元素)。

5） 然而可能出现这样的情况：当2号线程准备获得队列的锁，去获取队列中的元素时，此时1号线程刚好执行完之前的元素操作，返回再去请求队列中的元素，1号线程便获得队列的锁，检查到队列非空，就获取到了3号线程刚刚入队的元素，然后释放队列锁。

6） 等到2号线程获得队列锁，判断发现队列仍为空，1号线程“偷走了”这个元素，所以对于2号线程而言，这次唤醒就是“虚假”的，它需要再次等待队列非空。

描述一下Monitor中的内部队列的作用?

ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象)，_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1，若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。如下图所示

哪些对象可以作为synchronized锁?

Java中任意对象可以作为锁. monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因(关于这点稍后还会进行分析)

一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的，jvm中采用2个字来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)

对象头的结构是什么样的?

Hotspot中对象在内存中的结构：

从上面的这张图里面可以看出，对象在内存中的结构主要包含以下几个部分：

1. Mark Word：对象的Mark Word部分占4个字节，其内容是一系列的标记位，比如轻量级锁的标记位，偏向锁标记位等等。

2. Class对象指针：Class对象指针的大小也是4个字节，其指向的位置是对象对应的Class对象（其对应的元数据对象）的内存地址

3. 对象实际数据：这里面包括了对象的所有成员变量，其大小由各个成员变量的大小决定，比如：byte和boolean是1个字节，short和char是2个字节，int和float是4个字节，long和double是8个字节，reference是4个字节

4. 对齐：最后一部分是对齐填充的字节，按8个字节填充。

根据上面的图，那么我们可以得出Integer的对象的结构如下：

Integer只有一个int类型的成员变量value，所以其对象实际数据部分的大小是4个字节，然后再在后面填充4个字节达到8字节的对齐，所以可以得出Integer对象的大小是16个字节。

因此，我们可以得出Integer对象的大小是原生的int类型的4倍。

关于对象的内存结构，需要注意数组的内存结构和普通对象的内存结构稍微不同，因为数据有一个长度length字段，所以在对象头后面还多了一个int类型的length字段，占4个字节，接下来才是数组中的数据，如下图：

对象头中的MarkWord 结构如下:

锁状态	25 bit			4bit	1bit	2bit
	23bit		2bit		是否是偏向锁	锁标志位
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针					00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针					10
GC标记	空					11
偏向锁	线程ID	Epoch		对象分代年龄	1	01
无锁	对象的hashCode			对象分代年龄	0	01

synchronized实现可重入的count存在哪儿?

ObjectMonitor在openjdk中的源码路径: openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/objectMonitor.hpp

数据结构里有_count一项, 用于在重入时进行自增操作, 释放时进行自减操作.

  // initialize the monitor, exception the semaphore, all other fields
  // are simple integers or pointers
  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 ;
    _previous_owner_tid = 0;
  }

Java虚拟机对synchronized的优化

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级.

自旋锁与自适应自旋

通常我们称Sychronized锁是一种重量级锁，是因为在互斥状态下，没有得到锁的线程会被挂起阻塞，而挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成。同时，虚拟机开发团队也注意到，许多应用上的数据锁只会持续很短的一段时间，如果为了这段时间去挂起和恢复线程是不值得的，所以引入了自旋锁。所谓的自旋，就是让没有获得锁的线程自己运行一段时间的自循环，这就是自旋锁。自旋锁可以通过-XX:+UseSpinning参数来开启。

但这显然并不是最好的一种方法，不挂起线程的代价就是该线程会一直占用处理器。如果锁被占用的时间很短，自旋等待的效果就会很好，反之，自旋会消耗大量处理器资源。因此，自旋的等待时间必须有一定的限度，如果超过限度还没有获得锁，就要挂起线程，这个限度默认是10次，可以使用-XX：PreBlockSpin改变。

在JDK6以后又引入了自适应自旋锁，也就说自旋的时间限度不是一个固定值了，而是由上一次同一个锁的自旋时间及锁的拥有者状态来决定。虚拟机认为，如果同一个锁对象自旋刚刚成功获得锁，那么下一次很可能获得锁，所以允许这次自旋锁自旋很长时间、而如果某个锁很少获得锁，那么以后在获取锁的过程中可能忽略到自旋过程。

偏向锁

偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

偏向锁实际上是一种锁优化的，其目的是为了减少数据在无竞争情况下的性能消耗。其核心思想就是锁会偏向第一个获取它的线程，在接下来的执行过程中该锁没有其他的线程获取，则持有偏向锁的线程永远不需要再进行同步。

偏向锁的获取

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里储存锁偏向的线程ID。以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需要检查当前Mark Word中储存的线程是否指向当前线程，如果成功，表示已经获得对象锁；如果检测失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标志是否已经被置为1（表示当前锁是偏向锁）：如果没有则使用CAS操作竞争锁，如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁获取过程：

　　（1）访问Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1，锁标志位是否为01——确认为可偏向状态。

　　（2）如果为可偏向状态，则测试线程ID是否指向当前线程，如果是，进入步骤（5），否则进入步骤（3）。

　　（3）如果线程ID并未指向当前线程，则通过CAS操作竞争锁。如果竞争成功，则将Mark Word中线程ID设置为当前线程ID，然后执行（5）；如果竞争失败，执行（4）。

　　（4）如果CAS获取偏向锁失败，则表示有竞争。当到达全局安全点（safepoint）时获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点的线程继续往下执行同步代码。

　　（5）执行同步代码。

偏向锁的撤销

偏向锁使用一种等待竞争出现才释放锁的机制，所以当有其他线程尝试获得锁时，才会释放锁。偏向锁的撤销，需要等到安全点。它首先会暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果不处于活动状态，则将对象头设置为无锁状态；如果依然活动，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不合适作为偏向锁（膨胀为轻量级锁），最后唤醒暂停的线程。

 

偏向锁的释放：

　　偏向锁的撤销在上述第四步骤中有提到。偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动去释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

关闭偏向锁

偏向锁在Java运行环境中默认开启，但是不会随着程序启动立即生效，而是在启动几秒种后才激活，可以使用参数关闭延迟：

-XX：BiasedLockingStartupDelay=0 

同样可以关闭偏向锁

 -XX：UseBiasedLocking=false,那么程序默认进入轻量级锁。

        偏向锁升级为轻量级锁

轻量级锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

轻量级锁是JDK1.6之中加入的新型锁机制，它并不是来代替重量级锁的，他的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。

轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会现在当前线程的栈帧中创建用于储存锁记录的空间（LockRecord），并将对象头的Mark Word信息复制到锁记录中。然后线程尝试使用CAS将对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，并且对象的锁标志位转变为“00”，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便会尝试自旋获取锁。如果有两条以上的线程竞争同一个锁，那么轻量级锁就不再有效，要膨胀为重量级锁，锁标志的状态变为“10”，MarkWord中储存的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待的线程也要进入阻塞状态。

 

轻量级锁的加锁过程

　　（1）在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word。这时候线程堆栈与对象头的状态如图2.1所示。

　　（2）拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。

　　（3）拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤（3），否则执行步骤（4）。

　　（4）如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态，这时候线程堆栈与对象头的状态如图2.2所示。

　　（5）如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。

图2.1 轻量级锁CAS操作之前堆栈与对象的状态

　　

图2.2 轻量级锁CAS操作之后堆栈与对象的状态

 

轻量级锁解锁

轻量级锁解锁时，同样通过CAS操作将对象头换回来。如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，说明有其他线程尝试过获取该锁，锁同样会膨胀为重量级锁。在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

轻量级锁的解锁过程：

　　（1）通过CAS操作尝试把线程中复制的Displaced Mark Word对象替换当前的Mark Word。

　　（2）如果替换成功，整个同步过程就完成了。

　　（3）如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁（此时锁已膨胀），那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间，如下StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

public class StringBufferRemoveSync {
 
    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用
        //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            rmsync.add("abc", "123");
        }
    }
 
}

锁粗化

锁粗化的概念应该比较好理解，就是将多次连接在一起的加锁、解锁操作合并为一次，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。举个例子：

package com.paddx.test.string;
 
public class StringBufferTest {
    StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
 
    public void append(){
        stringBuffer.append("a");
        stringBuffer.append("b");
        stringBuffer.append("c");
    }
}