第16讲 synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

我在上一讲对比和分析了synchronized和ReentrantLock，算是专栏进入并发编程阶段的热身，相信你已经对线程安全，以及如何使用基本的同步机制有了基础，今天我们将深入了解synchronize底层机制，分析其他锁实现和应用场景。

今天我要问你的问题是 ，synchronized底层如何实现？什么是锁的升级、降级？

典型回答

在回答这个问题前，先简单复习一下上一讲的知识点。synchronized代码块是由一对儿monitorenter/monitorexit指令实现的，Monitor对象是同步的基本实现单元。

在Java 6之前，Monitor的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。

现代的（Oracle）JDK中，JVM对此进行了大刀阔斧地改进，提供了三种不同的Monitor实现，也就是常说的三种不同的锁：偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，大大改进了其性能。

所谓锁的升级、降级，就是JVM优化synchronized运行的机制，当JVM检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现，这种切换就是锁的升级、降级。

当没有竞争出现时，默认会使用偏斜锁。JVM会利用CAS操作（compare and swap），在对象头上的Mark Word部分设置线程ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。

如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM就需要撤销（revoke）偏斜锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖CAS操作Mark Word来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

我注意到有的观点认为Java不会进行锁降级。实际上据我所知，锁降级确实是会发生的，当JVM进入安全点（SafePoint）的时候，会检查是否有闲置的Monitor，然后试图进行降级。

考点分析

今天的问题主要是考察你对Java内置锁实现的掌握，也是并发的经典题目。我在前面给出的典型回答，涵盖了一些基本概念。如果基础不牢，有些概念理解起来就比较晦涩，我建议还是尽量理解和掌握，即使有不懂的也不用担心，在后续学习中还会逐步加深认识。

我个人认为，能够基础性地理解这些概念和机制，其实对于大多数并发编程已经足够了，毕竟大部分工程师未必会进行更底层、更基础的研发，很多时候解决的是知道与否，真正的提高还要靠实践踩坑。

后面我会进一步分析：

• 从源码层面，稍微展开一些synchronized的底层实现，并补充一些上面答案中欠缺的细节，有同学反馈这部分容易被问到。如果你对Java底层源码有兴趣，但还没有找到入手点，这里可以成为一个切入点。
• 理解并发包中java.util.concurrent.lock提供的其他锁实现，毕竟Java可不是只有ReentrantLock一种显式的锁类型，我会结合代码分析其使用。

知识扩展

我在上一讲提到过synchronized是JVM内部的Intrinsic Lock，所以偏斜锁、轻量级锁、重量级锁的代码实现，并不在核心类库部分，而是在JVM的代码中。

Java代码运行可能是解释模式也可能是编译模式（如果不记得，请复习专栏第1讲），所以对应的同步逻辑实现，也会分散在不同模块下，比如，解释器版本就是：

src/hotspot/share/interpreter/interpreterRuntime.cpp

为了简化便于理解，我这里会专注于通用的基类实现：

src/hotspot/share/runtime/

另外请注意，链接指向的是最新JDK代码库，所以可能某些实现与历史版本有所不同。

首先，synchronized的行为是JVM runtime的一部分，所以我们需要先找到Runtime相关的功能实现。通过在代码中查询类似“monitor_enter”或“Monitor Enter”，很直观的就可以定位到：

• sharedRuntime.cpp/hpp，它是解释器和编译器运行时的基类。
• synchronizer.cpp/hpp，JVM同步相关的各种基础逻辑。

在sharedRuntime.cpp中，下面代码体现了synchronized的主要逻辑。

Handle h_obj(THREAD, obj);
  if (UseBiasedLocking) {
    // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
    ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, lock, true, CHECK);
  } else {
    ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, lock, CHECK);
  }

其实现可以简单进行分解：

• UseBiasedLocking是一个检查，因为，在JVM启动时，我们可以指定是否开启偏斜锁。

偏斜锁并不适合所有应用场景，撤销操作（revoke）是比较重的行为，只有当存在较多不会真正竞争的synchronized块儿时，才能体现出明显改善。实践中对于偏斜锁的一直是有争议的，有人甚至认为，当你需要大量使用并发类库时，往往意味着你不需要偏斜锁。从具体选择来看，我还是建议需要在实践中进行测试，根据结果再决定是否使用。

还有一方面是，偏斜锁会延缓JIT 预热的进程，所以很多性能测试中会显式地关闭偏斜锁，命令如下：

-XX:-UseBiasedLocking

• fast_enter是我们熟悉的完整锁获取路径，slow_enter则是绕过偏斜锁，直接进入轻量级锁获取逻辑。

那么fast_enter是如何实现的呢？同样是通过在代码库搜索，我们可以定位到synchronizer.cpp。 类似fast_enter这种实现，解释器或者动态编译器，都是拷贝这段基础逻辑，所以如果我们修改这部分逻辑，要保证一致性。这部分代码是非常敏感的，微小的问题都可能导致死锁或者正确性问题。

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);
}

我来分析下这段逻辑实现：

• biasedLocking定义了偏斜锁相关操作，revoke_and_rebias是获取偏斜锁的入口方法，revoke_at_safepoint则定义了当检测到安全点时的处理逻辑。
• 如果获取偏斜锁失败，则进入slow_enter。
• 这个方法里面同样检查是否开启了偏斜锁，但是从代码路径来看，其实如果关闭了偏斜锁，是不会进入这个方法的，所以算是个额外的保障性检查吧。

另外，如果你仔细查看synchronizer.cpp里，会发现不仅仅是synchronized的逻辑，包括从本地代码，也就是JNI，触发的Monitor动作，全都可以在里面找到（jni_enter/jni_exit）。

关于biasedLocking的更多细节我就不展开了，明白它是通过CAS设置Mark Word就完全够用了，对象头中Mark Word的结构，可以参考下图：

顺着锁升降级的过程分析下去，偏斜锁到轻量级锁的过程是如何实现的呢？

我们来看看slow_enter到底做了什么。

void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
  markOop mark = obj->mark();
 if (mark->is_neutral()) {
       // 将目前的Mark Word复制到Displaced Header上
    lock->set_displaced_header(mark);
    // 利用CAS设置对象的Mark Word
    if (mark == obj()->cas_set_mark((markOop) lock, mark)) {
      TEVENT(slow_enter: release stacklock);
      return;
    }
    // 检查存在竞争
  } else if (mark->has_locker() &&
             THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
    // 清除
    lock->set_displaced_header(NULL);
    return;
  }

  // 重置Displaced Header
  lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
  ObjectSynchronizer::inflate(THREAD,
                            obj(),
                              inflate_cause_monitor_enter)->enter(THREAD);
}

请结合我在代码中添加的注释，来理解如何从试图获取轻量级锁，逐步进入锁膨胀的过程。你可以发现这个处理逻辑，和我在这一讲最初介绍的过程是十分吻合的。

• 设置Displaced Header，然后利用cas_set_mark设置对象Mark Word，如果成功就成功获取轻量级锁。
• 否则Displaced Header，然后进入锁膨胀阶段，具体实现在inflate方法中。

今天就不介绍膨胀的细节了，我这里提供了源代码分析的思路和样例，考虑到应用实践，再进一步增加源代码解读意义不大，有兴趣的同学可以参考我提供的synchronizer.cpp链接，例如：

• deflate_idle_monitors是分析锁降级逻辑的入口，这部分行为还在进行持续改进，因为其逻辑是在安全点内运行，处理不当可能拖长JVM停顿（STW，stop-the-world）的时间。
• fast_exit或者slow_exit是对应的锁释放逻辑。

前面分析了synchronized的底层实现，理解起来有一定难度，下面我们来看一些相对轻松的内容。 我在上一讲对比了synchronized和ReentrantLock，Java核心类库中还有其他一些特别的锁类型，具体请参考下面的图。

你可能注意到了，这些锁竟然不都是实现了Lock接口，ReadWriteLock是一个单独的接口，它通常是代表了一对儿锁，分别对应只读和写操作，标准类库中提供了再入版本的读写锁实现（ReentrantReadWriteLock），对应的语义和ReentrantLock比较相似。

StampedLock竟然也是个单独的类型，从类图结构可以看出它是不支持再入性的语义的，也就是它不是以持有锁的线程为单位。

为什么我们需要读写锁（ReadWriteLock）等其他锁呢？

这是因为，虽然ReentrantLock和synchronized简单实用，但是行为上有一定局限性，通俗点说就是“太霸道”，要么不占，要么独占。实际应用场景中，有的时候不需要大量竞争的写操作，而是以并发读取为主，如何进一步优化并发操作的粒度呢？

Java并发包提供的读写锁等扩展了锁的能力，它所基于的原理是多个读操作是不需要互斥的，因为读操作并不会更改数据，所以不存在互相干扰。而写操作则会导致并发一致性的问题，所以写线程之间、读写线程之间，需要精心设计的互斥逻辑。

下面是一个基于读写锁实现的数据结构，当数据量较大，并发读多、并发写少的时候，能够比纯同步版本凸显出优势。

public class RWSample {
    private final Map<String, String> m = new TreeMap<>();
    private final ReentrantReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    private final Lock r = rwl.readLock();
    private final Lock w = rwl.writeLock();
    public String get(String key) {
        r.lock();
        System.out.println("读锁锁定！");
        try {
            return m.get(key);
        } finally {
            r.unlock();
        }
    }

    public String put(String key, String entry) {
        w.lock();
    System.out.println("写锁锁定！");
            try {
                return m.put(key, entry);
            } finally {
                w.unlock();
            }
        }
    // …
    }

在运行过程中，如果读锁试图锁定时，写锁是被某个线程持有，读锁将无法获得，而只好等待对方操作结束，这样就可以自动保证不会读取到有争议的数据。

读写锁看起来比synchronized的粒度似乎细一些，但在实际应用中，其表现也并不尽如人意，主要还是因为相对比较大的开销。

所以，JDK在后期引入了StampedLock，在提供类似读写锁的同时，还支持优化读模式。优化读基于假设，大多数情况下读操作并不会和写操作冲突，其逻辑是先试着读，然后通过validate方法确认是否进入了写模式，如果没有进入，就成功避免了开销；如果进入，则尝试获取读锁。请参考我下面的样例代码。

public class StampedSample {
    private final StampedLock sl = new StampedLock();

    void mutate() {
        long stamp = sl.writeLock();
        try {
            write();
        } finally {
            sl.unlockWrite(stamp);
        }
    }

    Data access() {
        long stamp = sl.tryOptimisticRead();
        Data data = read();
        if (!sl.validate(stamp)) {
            stamp = sl.readLock();
            try {
                data = read();
            } finally {
                sl.unlockRead(stamp);
            }
        }
        return data;
    }
    // …
}

注意，这里的writeLock和unLockWrite一定要保证成对调用。

你可能很好奇这些显式锁的实现机制，Java并发包内的各种同步工具，不仅仅是各种Lock，其他的如Semaphore、CountDownLatch，甚至是早期的FutureTask等，都是基于一种AQS框架。

今天，我全面分析了synchronized相关实现和内部运行机制，简单介绍了并发包中提供的其他显式锁，并结合样例代码介绍了其使用方法，希望对你有所帮助。

一课一练

关于今天我们讨论的你做到心中有数了吗？思考一个问题，你知道“自旋锁”是做什么的吗？它的使用场景是什么？

请你在留言区写写你对这个问题的思考，我会选出经过认真思考的留言，送给你一份学习奖励礼券，欢迎你与我一起讨论。

你的朋友是不是也在准备面试呢？你可以“请朋友读”，把今天的题目分享给好友，或许你能帮到他。

精选留言（15）

• 公号-技术夜未眠 👍（193） 💬（2）

  自旋锁:竞争锁的失败的线程，并不会真实的在操作系统层面挂起等待，而是JVM会让线程做几个空循环(基于预测在不久的将来就能获得)，在经过若干次循环后，如果可以获得锁，那么进入临界区，如果还不能获得锁，才会真实的将线程在操作系统层面进行挂起。 适用场景:自旋锁可以减少线程的阻塞，这对于锁竞争不激烈，且占用锁时间非常短的代码块来说，有较大的性能提升，因为自旋的消耗会小于线程阻塞挂起操作的消耗。 如果锁的竞争激烈，或者持有锁的线程需要长时间占用锁执行同步块，就不适合使用自旋锁了，因为自旋锁在获取锁前一直都是占用cpu做无用功，线程自旋的消耗大于线程阻塞挂起操作的消耗，造成cpu的浪费。

  2018-06-12


• yearning 👍（82） 💬（5）

  这次原理真的看了很久，一直鼓劲自己，看不懂就是说明自己有突破。 下面看了并发编程对于自旋锁的了解，同时更深刻理解同步锁的性能。 自旋锁采用让当前线程不停循环体内执行实现，当循环条件被其他线程改变时，才能进入临界区。 由于自旋锁只是将当前线程不停执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应会更快。但当线程不停增加时，性能下降明显。 线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。 为什么会提出自旋锁，因为互斥锁，在线程的睡眠和唤醒都是复杂而昂贵的操作，需要大量的CPU指令。如果互斥仅仅被锁住是一小段时间， 用来进行线程休眠和唤醒的操作时间比睡眠时间还长，更有可能比不上不断自旋锁上轮询的时间长。 当然自旋锁被持有的时间更长，其他尝试获取自旋锁的线程会一直轮询自旋锁的状态。这将十分浪费CPU。 在单核CPU上，自旋锁是无用，因为当自旋锁尝试获取锁不成功会一直尝试，这会一直占用CPU，其他线程不可能运行， 同时由于其他线程无法运行，所以当前线程无法释放锁。 混合型互斥锁， 在多核系统上起初表现的像自旋锁一样， 如果一个线程不能获取互斥锁， 它不会马上被切换为休眠状态，在一段时间依然无法获取锁，进行睡眠状态。 混合型自旋锁，起初表现的和正常自旋锁一样，如果无法获取互斥锁，它也许会放弃该线程的执行，并允许其他线程执行。 切记，自旋锁只有在多核CPU上有效果，单核毫无效果，只是浪费时间。 以上基本参考来源于： http://ifeve.com/java_lock_see1/ http://ifeve.com/practice-of-using-spinlock-instead-of-mutex/

  2018-06-12


• jacy 👍（38） 💬（4）

  看了大家对自旋锁的评论，我的收获如下: 1.基于乐观情况下推荐使用，即锁竞争不强，锁等待时间不长的情况下推荐使用 2.单cpu无效，因为基于cas的轮询会占用cpu,导致无法做线程切换 3.轮询不产生上下文切换，如果可估计到睡眠的时间很长，用互斥锁更好

  2018-06-19


• sunlight001 👍（32） 💬（1）

  自旋锁是尝试获取锁的线程不会立即阻塞，采用循环的方式去获取锁，好处是减少了上下文切换，缺点是消耗cpu

  2018-06-12


• Miaozhe 👍（25） 💬（3）

  杨老师，偏斜锁有什么作用？还是没有看明白，如果只是被一个线程获取，那么锁还有什么意义？ 另外，如果我有两个线程明确定义调用同一个对象的Synchronized块，JVM默认肯定先使用偏斜锁，之后在升级到轻量级所，必须经过撤销Revoke吗？编译的时候不会自动优化？

  2018-06-12


• 陈一嘉 👍（13） 💬（1）

  自旋锁 for(;;)结合cas确保线程获取取锁

  2018-06-12


• 灰飞灰猪不会灰飞.烟灭 👍（9） 💬（1）

  老师 AQS就不涉及用户态和内核态的切换了 对吧？

  2018-06-12


• stephen chow 👍（7） 💬（1）

  StampLock是先试着读吧？你写的先试着修改。。

  2018-10-01


• Miaozhe 👍（6） 💬（1）

  关于自旋转锁不适合单核CPU的问题，下来查找了一下资料: 1.JVM在操作系统中是作为一个进程存在，但是OS一般都将将线程作为最小调度单位，进程是资源分配的最小单位。这就是说进程是不活动的，只是作为线程的容器，那么Java的线程是在JVM进程中，也被CPU调度。 2.单核CPU使用多线程时，一个线程被CPU执行，其它处于等待轮巡状态。 3.为什么多线程跑在单核CPU上也比较快呢？是由于这种线程还有其它IO操作(File,Socket)，可以跟CPU运算并行。 4.结论，根据前面3点的分析，与自旋转锁的优点冲突：线程竞争不激烈，占用锁时间短。

  2018-06-13


• Miaozhe 👍（5） 💬（1）

  杨老师，看到有回复说自旋锁在单核CPU上是无用，感觉这个理论不准确，因为Java多线程在很早时候单核CPC的PC上就能运行，计算机原理中也介绍，控制器会轮巡各个进程或线程。而且多线程是运行在JVM上，跟物理机没有很直接的关系吧？

  2018-06-13


• 大熊 👍（4） 💬（3）

  老师，请问下为什么要有读锁？读不会改变数据为什么还要加锁呢

  2018-10-16


• Cui 👍（4） 💬（1）

  老师你好 心中一直有个疑问：synchronize和AQS的LockSupport同样起到阻塞线程的作用，这两者的区别是什么？能不能从实现原理和使用效果的角度说说？

  2018-06-22


• Jerry银银 👍（3） 💬（1）

  『其逻辑是先试着修改，然后通过 validate 方法确认是否...』 这里面先试着修改写错了，小编帮忙改下吧，应该是：『其逻辑是先试着读，然后....』 我看到留言中，有其它同学早就提出了，但是一直没有被修正。。。。

  2019-02-02


• 肖一林 👍（3） 💬（1）

  重量级锁还是互斥锁吗？自旋锁应该是线程拿不到锁的时候，采取重试的办法，适合重试次数不多的场景，如果重试次数过多还是会被系统挂起，这种情况下还不如没有自旋锁。

  2018-06-12


• 雷霹雳的爸爸 👍（2） 💬（1）

  今天老师讲这个真够我喝一壶的，而且老师总结的角度启发性很大，最近也再读JCIP，对比起来很有意思，对于自旋锁这个理解，我一直还是蛮肤浅的，顾名思义比较多，就是在那里兜几个圈子——写个循环——试几次，好处是减少线程切换导致的开销，一般也需要有底层有CAS能力的构件支持一下，比如用Atomic开头那些类，当然也未必，比如说nio读不出来东西的时候，也先尝试几次，总之就是暂时不把cpu让度出去，先在占着坑来几次，大概可能这么个意思吧

  2018-06-12