关于synchronized关键字

1、synchronized关键字最主要的三种使用方式的总结

修饰实例方法，作用于当前对象实例加锁，进入同步代码前要获得当前对象实例的锁。

修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁。也就是给当前类加锁，会作用于类的所有对象实例，因为静态成员不属于任何一个实例对象，是类成员（ static 表明这是该类的一个静态资源，不管new了多少个对象，只有一份，所以对该类的所有对象都加了锁）。所以如果一个线程A调用一个实例对象的非静态 synchronized 方法，而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized 方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的锁，而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁。

修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。和 synchronized 修饰方法一样，synchronized(this)代码块也是锁定当前对象的。

synchronized 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(class)代码块上都是是给 Class 类上锁。这里再提一下：synchronized关键字加到非 static 静态方法上是给对象实例上锁。另外需要注意的是：尽量不要使用 synchronized(String a) 因为JVM中，字符串常量池具有缓冲功能！

synchronized实现双重检查锁单例模式（线程安全方式）

public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueInstance;
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getUniqueInstance() {
       //先判断对象是否已经实例过，没有实例化过才进入加锁代码，第一重检查
        if (uniqueInstance == null) {
            //类对象加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                 //第二重检查
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

为 uniqueInstance 分配内存空间
初始化 uniqueInstance
将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1->3->2。指令重排在单线程环境下不会出先问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

2、synchronized底层原理

2.1 synchronized同步语句块的情况

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("synchronized 代码块");
        }
    }
}

使用javap反编译生成后的.class文件（执行javap -c -v -s -l SynchronizedDemo.class），得到的字节码信息如下：

{
  public SynchronizedDemo();
    Signature: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    LineNumberTable:
      line 1: 0
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0       
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return       
      LineNumberTable:
        line 1: 0
  public void method();
    Signature: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    LineNumberTable:
      line 3: 0
      line 4: 4
      line 5: 12
      line 6: 22
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0       
         1: dup           
         2: astore_1      
         3: monitorenter  
         4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         7: ldc           #3                  // String synchronized
         9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        12: aload_1       
        13: monitorexit   
        14: goto          22
        17: astore_2      
        18: aload_1       
        19: monitorexit   
        20: aload_2       
        21: athrow        
        22: return       
      Exception table:
         from    to  target type
             4    14    17   any
            17    20    17   any
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 4
        line 5: 12
        line 6: 22
      StackMapTable: number_of_entries = 2
           frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 17
          locals = [ class SynchronizedDemo, class java/lang/Object ]
          stack = [ class java/lang/Throwable ]
           frame_type = 250 /* chop */
          offset_delta = 4
}

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。当执行 monitorenter 指令时，线程试图获取锁也就是获取 monitor(monitor对象存在于每个Java对象的对象头中，synchronized 锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因) 的持有权.当计数器为0则可以成功获取，获取后将锁计数器设为1也就是加1。相应的在执行 monitorexit 指令后，将锁计数器设为0，表明锁被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。

2.2 synchronized修饰方法的情况

public class SynchronizedDemo2 {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("synchronized 方法");
    }
}

同样反编译编译出字节码如下：

{
  public SynchronizedDemo();
    Signature: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    LineNumberTable:
      line 1: 0
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0       
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return       
      LineNumberTable:
        line 1: 0
  public synchronized void method();
    Signature: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    LineNumberTable:
      line 3: 0
      line 4: 8
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String synchronized
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return       
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 8
}

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的确实是 ACC_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM 通过该 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。

综上，synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性，synchronized关键字可以保证被它修饰的方法或者代码块在任意时刻只能有一个线程执行。

在 Java 早期版本中，synchronized 属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的，Java 的线程是映射到操作系统的原生线程之上的。如果要挂起或者唤醒一个线程，都需要操作系统帮忙完成，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，这也是为什么早期的 synchronized 效率低的原因。庆幸的是在 Java 6 之后 Java 官方对从 JVM 层面对synchronized 较大优化，所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错了。JDK1.6对锁的实现引入了大量的优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然比较低。

2.3 总结：

Java提供了内置锁来支持多线程的同步，JVM根据synchronized关键字来标识同步代码块，当线程进入同步代码块时会自动获取锁，退出同步代码块时会自动释放锁，一个线程获得锁后其他线程将会被阻塞。每个Java对象都可以用做一个实现同步的锁，synchronized关键字可以用来修饰对象方法，静态方法和代码块，当修饰对象方法和静态方法时锁分别是方法所在的对象和Class对象，当修饰代码块时需提供额外的对象作为锁。每个Java对象之所以可以作为锁，是因为在对象头中关联了一个monitor对象(管程)，线程进入同步代码块时会自动持有monitor对象，退出时会自动释放monitor对象，当monitor对象被持有时其他线程将会被阻塞。当然这些同步操作都由JVM底层帮你实现了，但以synchronized关键字修饰的方法和代码块在底层实现上还是有些区别的。synchronized关键字修饰的方法是隐式同步的，即无需通过字节码指令来控制的，JVM可以根据方法表中的ACC_SYNCHRONIZED访问标志来区分一个方法是否是同步方法；而synchronized关键字修饰的代码块是显式同步的，它是通过monitorenter和monitorexit字节码指令来控制线程对管程的持有和释放。monitor对象内部持有_count字段，_count等于0表示管程未被持有，_count大于0表示管程已被持有，每次持有线程重入时_count都会加1，每次持有线程退出时_count都会减1，这就是内置锁重入性的实现原理。另外，monitor对象内部还有两条队列_EntryList和_WaitSet，对应着AQS的同步队列和条件队列，当线程获取锁失败时会到_EntryList中阻塞，当调用锁对象的wait方法时线程将会进入_WaitSet中等待，这是内置锁的线程同步和条件等待的实现原理。

3、Synchronized 和 ReenTrantLock 的对比

3.1 两者都是可重入锁

两者都是可重入锁。“可重入锁”概念是：自己可以再次获取自己的内部锁。比如一个线程获得了某个对象的锁，此时这个对象锁还没有释放，当其再次想要获取这个对象的锁的时候还是可以获取的，如果不可锁重入的话，就会造成死锁。同一个线程每次获取锁，锁的计数器都自增1，所以要等到锁的计数器下降为0时才能释放锁。

3.2 synchronized 依赖于 JVM 而 ReenTrantLock 依赖于 API

synchronized 是依赖于 JVM 实现的，前面我们也讲到了虚拟机团队在 JDK1.6 为 synchronized 关键字进行了很多优化，但是这些优化都是在虚拟机层面实现的，并没有直接暴露给我们。ReenTrantLock 是 JDK 层面实现的（也就是 API 层面，需要 lock() 和 unlock 方法配合 try/finally 语句块来完成）。

3.3 ReenTrantLock 比 synchronized 增加了一些高级功能

相比synchronized，ReenTrantLock增加了一些高级功能。主要来说主要有三点：①等待可中断；②可实现公平锁；③可实现选择性通知（锁可以绑定多个条件）

ReenTrantLock提供了一种能够中断等待锁的线程的机制，通过lock.lockInterruptibly()来实现这个机制。也就是说正在等待的线程可以选择放弃等待，改为处理其他事情。
ReenTrantLock可以指定是公平锁还是非公平锁。而synchronized只能是非公平锁。所谓的公平锁就是先等待的线程先获得锁。 ReenTrantLock默认情况是非公平的，可以通过 ReenTrantLock类的ReentrantLock(boolean fair)构造方法来制定是否是公平的。
synchronized关键字与wait()和notify/notifyAll()方法相结合可以实现等待/通知机制，ReentrantLock类当然也可以实现，但是需要借助于Condition接口与newCondition() 方法。Condition是JDK1.5之后才有的，它具有很好的灵活性，比如可以实现多路通知功能也就是在一个Lock对象中可以创建多个Condition实例（即对象监视器），线程对象可以注册在指定的Condition中，从而可以有选择性的进行线程通知，在调度线程上更加灵活。在使用notify/notifyAll()方法进行通知时，被通知的线程是由 JVM 选择的，用ReentrantLock类结合Condition实例可以实现“选择性通知” ，这个功能非常重要，而且是Condition接口默认提供的。而synchronized关键字就相当于整个Lock对象中只有一个Condition实例，所有的线程都注册在它一个身上。如果执行notifyAll()方法的话就会通知所有处于等待状态的线程这样会造成很大的效率问题，而Condition实例的signalAll()方法只会唤醒注册在该Condition实例中的所有等待线程。

如果你想使用上述功能，那么选择ReenTrantLock是一个不错的选择。

3.4 性能已不是选择标准

在JDK1.6之前，synchronized 的性能是比 ReenTrantLock 差很多。具体表示为：synchronized 关键字吞吐量随线程数的增加，下降得非常严重。而ReenTrantLock 基本保持一个比较稳定的水平。我觉得这也侧面反映了， synchronized 关键字还有非常大的优化余地。后续的技术发展也证明了这一点，我们上面也讲了在 JDK1.6 之后 JVM 团队对 synchronized 关键字做了很多优化。JDK1.6 之后，synchronized 和 ReenTrantLock 的性能基本是持平了。所以网上那些说因为性能才选择 ReenTrantLock 的文章都是错的！JDK1.6之后，性能已经不是选择synchronized和ReenTrantLock的影响因素了！而且虚拟机在未来的性能改进中会更偏向于原生的synchronized，所以还是提倡在synchronized能满足你的需求的情况下，优先考虑使用synchronized关键字来进行同步！优化后的synchronized和ReenTrantLock一样，在很多地方都是用到了CAS操作。