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淺析Java關(guān)鍵詞synchronized的使用

更新時(shí)間：2022年12月30日 08:22:22 作者：拿了桔子跑-范德依彪

Synchronized是java虛擬機(jī)為線程安全而引入的。這篇文章主要為大家介紹一下Java關(guān)鍵詞synchronized的使用與原理，需要的可以參考一下

1 引入Synchronized

Synchronized是java虛擬機(jī)為線程安全而引入的。
互斥同步是一種最常見(jiàn)的并發(fā)正確性的保障手段。同步是指在多個(gè)線程并發(fā)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)，保證共享數(shù)據(jù)在同一個(gè)時(shí)刻只被一條線程使用。
synchronized是最基本的互斥同步手段，它是一種塊結(jié)構(gòu)的同步語(yǔ)法。
synchronized修飾代碼塊，無(wú)論該代碼塊正常執(zhí)行完成還是發(fā)生異常，都會(huì)釋放鎖

synchronized對(duì)線程訪問(wèn)的影響：

被synchronized修飾的同步塊在持有鎖的線程執(zhí)行完畢并釋放鎖之前，會(huì)阻塞其他線程的進(jìn)入。
被synchronized修飾的同步塊對(duì)同一條線程是可重入的

2 Synchronized的使用

可以作用在方法上或者方法里的代碼塊：

修飾方法，包括實(shí)例方法和靜態(tài)方法
修飾方法里的代碼塊，這時(shí)需要一個(gè)引用作為參數(shù)。
Synchronized作用地方不同，產(chǎn)生的鎖類型也不同，分為對(duì)象鎖和類鎖

2.1 對(duì)象鎖

Synchronized修飾實(shí)例方法或者代碼塊（鎖對(duì)象不是*.class），此時(shí)生產(chǎn)對(duì)象鎖。多線程訪問(wèn)該類的同一個(gè)對(duì)象的sychronized塊是同步的，訪問(wèn)不同對(duì)象不受同步限制。

2.1.1 Synchronized修飾實(shí)例方法

public static void main(String[] args){
        TempTest tempTest = new TempTest();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            tempTest.doing(Thread.currentThread().getName());
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            tempTest.doing(Thread.currentThread().getName());
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }

    //同一時(shí)刻只能被一個(gè)線程調(diào)用
    private synchronized void doing(String threadName){
        for(int i=0;i<3;i++){
            System.out.println("current thread is : "+threadName);
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
    }

運(yùn)行結(jié)果：

current thread is : Thread-0
current thread is : Thread-0
current thread is : Thread-0
current thread is : Thread-1
current thread is : Thread-1
current thread is : Thread-1

2.1.2 Synchronized修飾代碼塊

public class SynchronizedObjectLock implements Runnable {
    static SynchronizedObjectLock instence = new SynchronizedObjectLock();
    @Override
    public void run() {
        // 同步代碼塊形式：鎖為this,兩個(gè)線程使用的鎖是一樣的,線程1必須要等到線程0釋放了該鎖后，才能執(zhí)行
        synchronized (this) {
            System.out.println("我是線程" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "結(jié)束");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instence);
        Thread t2 = new Thread(instence);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

我是線程Thread-0
Thread-0結(jié)束
我是線程Thread-1
Thread-1結(jié)束

2.2 類鎖

synchronize修飾靜態(tài)方法或指定鎖對(duì)象為Class，此時(shí)產(chǎn)生類鎖。多線程訪問(wèn)該類的所有對(duì)象的sychronized塊是同步的，

2.2.1 synchronize修飾靜態(tài)方法

    public static void main(String[] args){
        TempTest tempTest1 = new TempTest();
        TempTest tempTest2 = new TempTest();
        //雖然創(chuàng)建了兩個(gè)TempTest實(shí)例，但是依然是調(diào)用同一個(gè)doing方法（因?yàn)槭莻€(gè)static）；因此doing還是會(huì)依次執(zhí)行
        Thread t1 = new Thread(() -> tempTest1.doing(Thread.currentThread().getName()));
        Thread t2 = new Thread(() -> tempTest2.doing(Thread.currentThread().getName()));
        t1.start();
        t2.start();
    }

    //修飾靜態(tài)方法，則是類鎖；
    private static synchronized void doing(String threadName){
        for(int i=0;i<3;i++){
            System.out.println("current thread is : "+threadName);
            try {
                Thread.sleep(50);
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
    }

運(yùn)行結(jié)果：有序輸出【如果去掉static ，則線程會(huì)交替執(zhí)行doing】

current thread is : Thread-0
current thread is : Thread-0
current thread is : Thread-0
current thread is : Thread-1
current thread is : Thread-1
current thread is : Thread-1

2.2.2 synchronize指定鎖對(duì)象為Class

public class SynchronizedObjectLock implements Runnable {
    static SynchronizedObjectLock instence1 = new SynchronizedObjectLock();
    static SynchronizedObjectLock instence2 = new SynchronizedObjectLock();

    @Override
    public void run() {
        // 所有線程需要的鎖都是同一把
        synchronized(SynchronizedObjectLock.class){
            System.out.println("我是線程" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "結(jié)束");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(instence1);
        Thread t2 = new Thread(instence2);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

結(jié)果：

我是線程Thread-0
Thread-0結(jié)束
我是線程Thread-1
Thread-1結(jié)束

3 Synchronized原理分析

3.1 虛擬機(jī)如何辨別和處理synchronized

虛擬機(jī)可以從常量池中的方法表結(jié)構(gòu)中的ACC_ SYNCHRONIZED訪問(wèn)標(biāo)志區(qū)分一個(gè)方法是否是同步方法。

當(dāng)調(diào)用方法時(shí)，調(diào)用指令將會(huì)檢查方法的ACC_ SYNCHRONIZED訪問(wèn)標(biāo)志是否設(shè)置，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程將先持有同步鎖，然后執(zhí)行方法，最后在方法完成時(shí)釋放同步鎖。

在方法執(zhí)行期間，執(zhí)行線程持有了同步鎖，其他任何線程都無(wú)法再獲得同一個(gè)鎖。

如果一個(gè)同步方法執(zhí)行期間拋出了異常，并且在方法內(nèi)部無(wú)法處理此異常，那這個(gè)同步方法所持有的鎖將在異常拋到同步方法之外時(shí)自動(dòng)釋放。

3.2 虛擬機(jī)對(duì)synchronized的編譯處理

以下代碼：

public class Foo {
    void onlyMe(Foo f) {
        synchronized(f) {
            doSomething();
        }
    }
    private void doSomething(){ }
}

編譯后，這段代碼生成的字節(jié)碼序列如下:

synchronized關(guān)鍵字經(jīng)過(guò)Javac編譯之后，會(huì)在同步塊的前后生成monitorenter和monitorexit兩個(gè)字節(jié)碼指令。
指令含義：monitorenter：獲取對(duì)象的鎖；monitorexit：釋放對(duì)象的鎖
執(zhí)行monitorenter指令時(shí)，首先嘗試獲取對(duì)象的鎖。如果對(duì)象沒(méi)被鎖定，或者當(dāng)前線程已經(jīng)持有了對(duì)象的鎖，就把鎖的計(jì)數(shù)器的值增加1
執(zhí)行monitorexit指令時(shí)，將鎖計(jì)數(shù)器的值減1，一旦計(jì)數(shù)器的值為零，鎖隨即就被釋放
如果獲取對(duì)象鎖失敗，那當(dāng)前線程阻塞等待，直到鎖被釋放。
為了保證在方法異常完成時(shí)monitorenter和monitorexit指令依然可以正確配對(duì)執(zhí)行，編譯器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)異常處理程序，它的目的就是用來(lái)執(zhí)行monitorexit指令。

3.3 虛擬機(jī)執(zhí)行加鎖和釋放鎖的過(guò)程

那么重點(diǎn)來(lái)了到這里，有幾個(gè)問(wèn)題需明確：

什么叫對(duì)象的鎖？
如何確定鎖被線程持有？
執(zhí)行monitorenter后，對(duì)象發(fā)生什么變化？
鎖計(jì)數(shù)值保存在哪里，如何獲取到？

1. 什么叫對(duì)象的鎖？對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)參考文末補(bǔ)充內(nèi)容

鎖，一種可以被讀寫的資源，對(duì)象的鎖是對(duì)象的一部分。
對(duì)象的結(jié)構(gòu)中有部分稱為對(duì)象頭。
對(duì)象頭中有2bit空間，用于存儲(chǔ)鎖標(biāo)志，通過(guò)該標(biāo)志位來(lái)標(biāo)識(shí)對(duì)象是否被鎖定。

2. 如果確定鎖被線程持有？

代碼即將進(jìn)入同步塊的時(shí)，如果鎖標(biāo)志位為“01”（對(duì)象未被鎖定），虛擬機(jī)首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄的空間，存儲(chǔ)鎖對(duì)象Mark Word的拷貝。（線程開(kāi)辟空間并存儲(chǔ)對(duì)象頭）
虛擬機(jī)將使用CAS操作嘗試把對(duì)象的Mark Word更新成指向鎖記錄的指針（對(duì)象頭的mw存儲(chǔ)指向線程“鎖記錄”中的指針）
如果CAS操作成功，即代表該線程擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，并且將對(duì)象的鎖標(biāo)志位轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;00”
如果CAS操作失敗，那就意味著至少存在一條線程與當(dāng)前線程競(jìng)爭(zhēng)獲取該對(duì)象的鎖。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，說(shuō)明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，那直接進(jìn)入同步塊繼續(xù)執(zhí)行，否則就說(shuō)明這個(gè)鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占。
解鎖過(guò)程：CAS操作把線程中保存的MW拷貝替換回對(duì)象頭中。假如能夠成功替換，那整個(gè)同步過(guò)程就順利完成了;如果替換失敗，則說(shuō)明有其他線程嘗試過(guò)獲取該鎖，就要在釋放鎖的同時(shí)，喚醒被掛起的線程。

3 執(zhí)行monitorenter后，對(duì)象發(fā)生什么變化？

對(duì)象的鎖標(biāo)志位轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;00”
擁有對(duì)象鎖的線程開(kāi)辟了新空間，保存了對(duì)象的Mark Word信息
對(duì)象的Mark Word保存了線程的鎖記錄空間的地址拷貝

4 鎖計(jì)數(shù)值保存在哪里？

我還沒(méi)搞懂。

monitorenter指令執(zhí)行的過(guò)程：

4 Synchronized與Lock

synchronized的缺陷

在多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)，當(dāng)一個(gè)線程獲取鎖時(shí)，它會(huì)阻塞所有正在競(jìng)爭(zhēng)的線程，這樣對(duì)性能帶來(lái)了極大的影響。
掛起線程和恢復(fù)線程的操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成，上下文切換需要消耗很大性能。
效率低：鎖的釋放情況少，只有代碼執(zhí)行完畢或者異常結(jié)束才會(huì)釋放鎖；試圖獲取鎖的時(shí)候不能設(shè)定超時(shí)，不能中斷一個(gè)正在使用鎖的線程，相對(duì)而言，Lock可以中斷和設(shè)置超時(shí)
不夠靈活：加鎖和釋放的時(shí)機(jī)單一，每個(gè)鎖僅有一個(gè)單一的條件(某個(gè)對(duì)象)，相對(duì)而言，讀寫鎖更加靈活

5 使用Synchronized有哪些要注意的

鎖對(duì)象不能為空，因?yàn)殒i的信息都保存在對(duì)象頭里

作用域不宜過(guò)大，影響程序執(zhí)行的速度，控制范圍過(guò)大，編寫代碼也容易出錯(cuò)

在能選擇的情況下，既不要用Lock也不要用synchronized關(guān)鍵字，用java.util.concurrent包中的各種各樣的類，如果有必要，使用synchronized關(guān)鍵，因?yàn)榇a量少，避免出錯(cuò)

synchronized實(shí)際上是非公平的，新來(lái)的線程有可能立即獲得執(zhí)行，而在等待區(qū)中等候已久的線程可能再次等待，這樣有利于提高性能，但是也可能會(huì)導(dǎo)致饑餓現(xiàn)象。

知識(shí)補(bǔ)充

Java內(nèi)存層面的對(duì)象認(rèn)識(shí)

說(shuō)明：此分析基于HotSpot虛擬機(jī)

1 對(duì)象的創(chuàng)建

Java對(duì)象的創(chuàng)建方式有三種：

通過(guò)new創(chuàng)建
通過(guò)反序列化創(chuàng)建
通過(guò)復(fù)制創(chuàng)建

通過(guò)new方式的對(duì)象創(chuàng)建過(guò)程如下：

創(chuàng)建過(guò)程說(shuō)明：

執(zhí)行字節(jié)碼遇到new指令時(shí)，首先將去檢查這個(gè)指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到一個(gè)類的符號(hào)引用。
類的初始化過(guò)程在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)補(bǔ)充
給對(duì)象分配初始內(nèi)存空間有兩種方式：指針碰撞和空閑列表。
分配空間后，清空該段的【不包括對(duì)象頭】值，保證對(duì)象屬性的不設(shè)值就使用初始值
對(duì)象頭信息包括：元數(shù)據(jù)信息、對(duì)象的哈希碼、對(duì)象的GC分代年齡
執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，給屬性初始化設(shè)置的值

2 對(duì)象的內(nèi)存布局

對(duì)象存儲(chǔ)的內(nèi)容分類以及明細(xì)如下：

關(guān)于對(duì)象頭的補(bǔ)充說(shuō)明：

對(duì)象頭，在字長(zhǎng)為32位和64位的虛擬機(jī)中分別為32比特(4字節(jié))64比特(8字節(jié))。
對(duì)象頭的類型指針：不一定所有對(duì)象都會(huì)存儲(chǔ)這項(xiàng)信息，意味著訪問(wèn)對(duì)象所屬的類不一定通過(guò)對(duì)象自身。
如果對(duì)象是一個(gè)Java數(shù)組，那在對(duì)象頭中還必須有一塊用于記錄數(shù)組長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。

關(guān)于實(shí)例數(shù)據(jù)的補(bǔ)充說(shuō)明：

對(duì)象屬性的存儲(chǔ)順序，受到虛擬機(jī)分配策略參數(shù)（-XX：FieldsAllocationStyle參數(shù)）和字段在Java源碼中定義順序的影響
默認(rèn)的分配策略下：占據(jù)相同字節(jié)數(shù)的屬性會(huì)排列在一起，滿足該條件下，父類的屬性排在前面。

關(guān)于對(duì)齊填充的說(shuō)明：

不一定會(huì)存在，因?yàn)?strong>對(duì)象的大小一定是8字節(jié)的整數(shù)倍，因此需要對(duì)齊填充這部分，充當(dāng)占位符

在32位字長(zhǎng)的虛擬機(jī)下，對(duì)象的內(nèi)存分布情況如下：