synchronized的原理與四種用法介紹

介紹

JDK提供的鎖分兩種，一種是JVM實(shí)現(xiàn)的synchronized，是java的關(guān)鍵字，因此在這個(gè)關(guān)鍵字作用對(duì)象的范圍內(nèi)都是可以保證原子性的，主要是依賴特殊的CPU指令。另一種是JDK提供的代碼層面的鎖Lock。

一、synchronized的四種用法

1. 修飾代碼塊

大括號(hào)括起來的代碼，稱同步語句塊，作用范圍是大括號(hào)，作用對(duì)象是調(diào)用代碼塊的對(duì)象。

public void test1(int j) {
    synchronized (this) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            log.info("test1 {} - {}", j, i);
        }
    }
}

測(cè)試代碼：

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample1 example1 = new SynchronizedExample1();
    SynchronizedExample1 example2 = new SynchronizedExample1();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() - > {
        example1.test1(1);
    });
    executorService.execute(() - > {
        example2.test1(2);
    });
}

測(cè)試結(jié)果：

• 可以看到test1方法的參數(shù)1和參數(shù)2是交替執(zhí)行。

2. 修飾方法

被修飾的方法稱為同步方法，作用范圍是整個(gè)方法，作用于調(diào)用對(duì)象。

public synchronized void test2(int j) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        log.info("test2 {} - {}", j, i);
    }
}

測(cè)試代碼：

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample1 example1 = new SynchronizedExample1();
    SynchronizedExample1 example2 = new SynchronizedExample1();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() - > {
        example1.test2(1);
    });
    executorService.execute(() - > {
        example2.test2(2);
    });
}

測(cè)試結(jié)果：

• 可以看到test2方法的參數(shù)1和參數(shù)2是交替執(zhí)行。

3. 修飾靜態(tài)方法

作用范圍是整個(gè)方法，作用于所有對(duì)象。

public static synchronized void test3(int j) {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        log.info("test3 {} - {}", j, i);
    }
}

測(cè)試代碼：

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample1 example1 = new SynchronizedExample1();
    SynchronizedExample1 example2 = new SynchronizedExample1();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() - > {
        example1.test3(1);
    });
    executorService.execute(() - > {
        example2.test3(2);
    });
}

測(cè)試結(jié)果：

• 可以看到test3方法的參數(shù)1和參數(shù)2是1執(zhí)行完才執(zhí)行的2。

4. 修飾類

作用范圍是synchronized后面括號(hào)括起來的部分，作用于所有對(duì)象。

public static void test4(int j) {
    synchronized (SynchronizedExample2.class) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            log.info("test4 {} - {}", j, i);
        }
    }
}

測(cè)試代碼：

public static void main(String[] args) {
    SynchronizedExample1 example1 = new SynchronizedExample1();
    SynchronizedExample1 example2 = new SynchronizedExample1();
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() - > {
        example1.test4(1);
    });
    executorService.execute(() - > {
        example2.test4(2);
    });
}

測(cè)試結(jié)果：

• 可以看到test4方法的參數(shù)1和參數(shù)2是1執(zhí)行完才執(zhí)行的2。

二、synchronized的原理

在Java語言中存在兩種內(nèi)建的synchronized語法：synchronized語句、synchronized方法：

• synchronized語句：當(dāng)源代碼被編譯成字節(jié)碼的時(shí)候，會(huì)在同步塊的入口位置和退出位置分別插入monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令。
• synchronized方法：在Class文件的方法表中將該方法的access_flags字段中的synchronized標(biāo)志位置1

synchronized語句

如上示例，test1和test4使用的就是synchronized語句。使用Javap -c命令反編譯test1代碼，如下：

在Java虛擬機(jī)的specification中，有關(guān)于monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令的詳細(xì)描述：

monitorenter

每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)鎖，也就是監(jiān)視器（monitor）。 Monitor可以理解為一個(gè)同步工具或一種同步機(jī)制，通常被描述為一個(gè)對(duì)象。 每一個(gè)Java對(duì)象就有一把看不見的鎖，稱為內(nèi)部鎖或者M(jìn)onitor鎖。

當(dāng)monitor被占有時(shí)就表示它被鎖定。線程執(zhí)行monitorenter指令時(shí)嘗試獲取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的monitor的所有權(quán)，過程如下：

• 如果monitor的進(jìn)入數(shù)為0，則該線程進(jìn)入monitor，然后將進(jìn)入數(shù)設(shè)置為1，該線程即為monitor的所有者。
• 如果線程已經(jīng)擁有了該monitor，只是重新進(jìn)入，則進(jìn)入monitor的進(jìn)入數(shù)加1。
• 如果其他線程已經(jīng)占用了monitor，則該線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到monitor的進(jìn)入數(shù)為0，再重新嘗試獲取monitor的所有權(quán)。

monitorexit

執(zhí)行monitorexit的線程必須是相應(yīng)的monitor的所有者。指令執(zhí)行時(shí)，monitor的進(jìn)入數(shù)減1，如果減1后進(jìn)入數(shù)為0，那線程退出monitor，不再是這個(gè)monitor的所有者。其他被這個(gè)monitor阻塞的線程可以嘗試去獲取這個(gè)monitor的所有權(quán)。

synchronized方法

如上示例，test2和test3使用的就是synchronized方法。synchronized方法加鎖的方式是在Class文件的方法表中將該方法的access_flags字段中的synchronized標(biāo)志位置1。如下：

• 訪問標(biāo)志的第11位即為加鎖標(biāo)記位。

三、synchronized的優(yōu)化

synchronized在操作同步資源之前需要給同步資源先加鎖，這把鎖就是存在Java對(duì)象頭里，而Java對(duì)象頭又是什么呢？

Java對(duì)象頭

以Hotspot虛擬機(jī)為例，Hotspot的對(duì)象頭主要包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：Mark Word（標(biāo)記字段）、Klass Pointer（類型指針）。

Mark Word

默認(rèn)存儲(chǔ)對(duì)象的HashCode，分代年齡和鎖標(biāo)志位信息。這些信息都是與對(duì)象自身定義無關(guān)的數(shù)據(jù)，所以Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)。它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間，也就是說在運(yùn)行期間Mark Word里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化。

Klass Point

對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過這個(gè)指針來確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例。

在JDK1.6及其之前的版本中monitorenter和monitorexit字節(jié)碼依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來實(shí)現(xiàn)的，但是由于使用Mutex Lock需要將當(dāng)前線程掛起并從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)來執(zhí)行，這種切換的代價(jià)是非常昂貴的。然而在現(xiàn)實(shí)中的大部分情況下，同步方法是運(yùn)行在單線程環(huán)境（無鎖競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境）。如果每次都調(diào)用Mutex Lock將嚴(yán)重的影響程序的性能。因此在JDK6中為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了偏向鎖和 輕量級(jí)鎖 。所以目前鎖一共有4種狀態(tài)，級(jí)別從低到高依次是：無鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖和重量級(jí)鎖。鎖狀態(tài)只能升級(jí)不能降級(jí)。如下：

無鎖

• 無鎖沒有對(duì)資源進(jìn)行鎖定，所有的線程都能訪問并修改同一個(gè)資源，但同時(shí)只有一個(gè)線程能修改成功。
• 無鎖的特點(diǎn)就是修改操作在循環(huán)內(nèi)進(jìn)行，線程會(huì)不斷的嘗試修改共享資源。如果沒有沖突就修改成功并退出，否則就會(huì)繼續(xù)循環(huán)嘗試。如果有多個(gè)線程修改同一個(gè)值，必定會(huì)有一個(gè)線程能修改成功，而其他修改失敗的線程會(huì)不斷重試直到修改成功。

偏向鎖

• 偏向鎖是指一段同步代碼一直被一個(gè)線程所訪問，那么該線程會(huì)自動(dòng)獲取鎖，降低獲取鎖的代價(jià)。
• 引入偏向鎖是為了在無多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下盡量減少不必要的輕量級(jí)鎖執(zhí)行路徑，其目標(biāo)就是在只有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼塊時(shí)能夠提高性能。
• 當(dāng)一個(gè)線程訪問同步代碼塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在Mark Word里存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID。在線程進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不再通過CAS操作來加鎖和解鎖，而是檢測(cè)Mark Word里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。
• 偏向鎖只有遇到其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖，線程不會(huì)主動(dòng)釋放偏向鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒有字節(jié)碼正在執(zhí)行），它會(huì)首先暫停擁有偏向鎖的線程，判斷鎖對(duì)象是否處于被鎖定狀態(tài)。撤銷偏向鎖后恢復(fù)到無鎖或輕量級(jí)鎖的狀態(tài)。
• 偏向鎖在JDK 6及以后的JVM里是默認(rèn)啟用的。可以通過JVM參數(shù)關(guān)閉偏向鎖： -XX:-UseBiasedLocking=false ，關(guān)閉之后程序默認(rèn)會(huì)進(jìn)入輕量級(jí)鎖狀態(tài)。

輕量級(jí)鎖

• 是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，被另外的線程所訪問，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，其他線程會(huì)通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞，從而提高性能。
• 在代碼進(jìn)入同步塊的時(shí)候，如果同步對(duì)象鎖狀態(tài)為無鎖狀態(tài)（鎖標(biāo)志位為01狀態(tài)，是否為偏向鎖為0），虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝，然后拷貝對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中。
• 拷貝成功后，虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，并將Lock Record里的owner指針指向?qū)ο蟮腗ark Word。
• 如果這個(gè)更新動(dòng)作成功了，那么這個(gè)線程就擁有了該對(duì)象的鎖，并且對(duì)象Mark Word的鎖標(biāo)志位設(shè)置為00，表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖定狀態(tài)。
• 如果輕量級(jí)鎖的更新操作失敗了，虛擬機(jī)首先會(huì)檢查對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是就說明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那就可以直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行，否則說明多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)鎖。

重量級(jí)鎖

• 若當(dāng)前只有一個(gè)等待線程，則該線程通過自旋進(jìn)行等待。但是當(dāng)自旋超過一定的次數(shù)，或者一個(gè)線程在持有鎖，一個(gè)在自旋，又有第三個(gè)來訪時(shí)，輕量級(jí)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖。
• 升級(jí)為重量級(jí)鎖時(shí)，鎖標(biāo)志的狀態(tài)值變?yōu)?0，此時(shí)Mark Word中存儲(chǔ)的是指向重量級(jí)鎖的指針，此時(shí)等待鎖的線程都會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

綜上，偏向鎖通過對(duì)比Mark Word解決加鎖問題，避免執(zhí)行CAS操作。而輕量級(jí)鎖是通過用CAS操作和自旋來解決加鎖問題，避免線程阻塞和喚醒而影響性能。重量級(jí)鎖是將除了擁有鎖的線程以外的線程都阻塞。

四、synchronized存在的問題

1.性能損耗

• 雖然在JDK 1.6中對(duì)synchronized做了很多優(yōu)化，如如適應(yīng)性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級(jí)鎖和偏向鎖等，但畢竟還是一種鎖。
• 所以，無論是使用同步方法還是同步代碼塊，在同步操作之前還是要進(jìn)行加鎖，同步操作之后需要進(jìn)行解鎖，這個(gè)加鎖、解鎖的過程是要有性能損耗的。

2. 阻塞

• synchronize實(shí)現(xiàn)的鎖本質(zhì)上是一種阻塞鎖，多個(gè)線程要排隊(duì)訪問同一個(gè)共享對(duì)象。