Synchronized用法原理和鎖優化升級過程(面試)

時間  2021-01-02
標籤 java 面試 性能優化 多線程 異步 jvm maven ide 性能 學習 欄目 Java 简体版
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簡介

多線程一直是面試中的重點和難點，不管你如今處於啥級別段位，對synchronized關鍵字的學習避免不了，這是個人心得體會。下面我們以面試的思惟來對synchronized作一個系統的描述，若是有面試官問你，說說你對synchronized的理解？你能夠從synchronized使用層面，synchronized的JVM層面，synchronized的優化層面3個方面作系統回答，說不定面試官會對你另眼相看哦！文章會有大量的代碼是方便理解的，若是你有時間必定要動手敲下加深理解和記憶。若是這篇文章能對您能有所幫助是我創做路上最大欣慰。java

image.png

synchronized使用層面

你們都知道synchronized是一把鎖，鎖到底是什麼呢？舉個例子，你能夠把鎖理解爲廁所門上那把鎖的惟一鑰匙，每一個人要進去只能拿着這把鑰匙能夠去開這個廁所的門，這把鑰匙在一時刻只能有一我的擁有，有鑰匙的人能夠反覆出入廁所，在程序中咱們叫作這種重複出入廁所行爲叫鎖的可重入。它能夠修飾靜態方法，實例方法和代碼塊 ，那下面咱們一塊兒來看看synchronized用於同步代碼鎖表達的意思。面試

  • 對於普通同步方法，鎖的是對象實例。
  • 對於靜態同步方法，鎖的是類的Class對象。
  • 對於同步代碼塊，鎖的是括號中的對象。

先說下同步和異步的概念。性能優化

  • 同步：交替執行。
  • 異步：同時執行。

舉個例子好比吃飯和看電視兩件事情，先吃完飯後再去看電視，在時間維度上這兩件事是有前後順序的，叫同步。能夠一邊吃飯，一邊看刷劇，在時間維度上是不分前後同時進行的，飯吃完了電視也看了，就能夠去學習了，這就是異步，異步的好處是能夠提升效率，這樣你就能夠節省時間去學習了。多線程

下面咱們看看代碼，代碼中有作了很詳細的註釋，能夠複製到本地進行測試。若是有synchronized基礎的童鞋，能夠跳過鎖使用層面的講解。異步

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-17 14:48
 * @description：測試靜態方法同步和普通方法同步是不一樣的鎖,包括synchronized修飾的靜態代碼塊用法;
 * @modified By：
 * 公衆號:叫練
 */
public class SyncTest {

    public static void main(String[] args) {
        Service service = new Service();
        /**
         * 啓動下面4個線程，分別測試m1-m4方法。
         */
        Thread threadA = new Thread(() -> Service.m1());
        Thread threadB = new Thread(() -> Service.m2());
        Thread threadC = new Thread(() -> service.m3());
        Thread threadD = new Thread(() -> service.m4());
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();
        threadD.start();

    }

    /**
     * 此案例說明了synchronized修飾的靜態方法和普通方法獲取的不是同一把鎖，由於他們是異步的，至關因而同步執行;
     */
    private static class Service {
        /**
         * m1方法synchronized修飾靜態方法，鎖表示鎖定的是Service.class
         */
        public synchronized static void m1() {
            System.out.println("m1 getlock");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("m1 releaselock");
        }

        /**
         * m2方法synchronized修飾靜態方法，鎖表示鎖定的是Service.class
         * 當線程AB同時啓動，m1和m2方法是同步的。能夠證實m1和m2是同一把鎖。
         */
        public synchronized static void m2() {
            System.out.println("m2 getlock");
            System.out.println("m2 releaselock");
        }

        /**
         * m3方法synchronized修飾的普通方法，鎖表示鎖定的是Service service = new Service();中的service對象；
         */
        public synchronized void m3() {
            System.out.println("m3 getlock");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("m3 releaselock");
        }

        /**
         * 1.m4方法synchronized修飾的同步代碼塊，鎖表示鎖定的是當前對象實例,也就是Service service = new Service();中的service對象；和m3同樣，是同一把鎖；
         * 2.當線程CD同時啓動，m3和m4方法是同步的。能夠證實m3和m4是同一把鎖。
         * 3.synchronized也能夠修飾其餘對象，好比synchronized (Service.class),此時m4,m1,m2方法是同步的，啓動線程ABD能夠證實。
         */
        public void m4() {
            synchronized (this) {
                System.out.println("m4 getlock");
                System.out.println("m4 releaselock");
            }
        }

    }
}

通過上面的測試，你能夠能會有疑問，鎖既然是存在的，那它存儲在什麼地方？答案：對象裏面。下面咱們用代碼來證實下。jvm

鎖在對象頭裏面，一個對象包括對象頭，實例數據和對齊填充。對象頭包括MarkWord和對象指針，對象指針是指向方法區的對象類型的，，實例對象就是屬性數據，一個對象可能有不少屬性，屬性是動態的。對齊填充是爲了補齊字節數的，若是對象大小不是8字節的整數倍，須要補齊剩餘的字節數，這是方便計算機來計算的。在64位機器裏面，一個對象的對象頭通常佔12個本身大小，在64位操做系統通常佔4個字節，因此MarkWord就是8個字節了。maven

MarkWord包括對象hashcode，偏向鎖標誌位，線程id和鎖的標識。爲了方便測試對象頭的內容，須要引入maven openjdk的依賴包。ide

<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol-core</artifactId>
  <version>0.10</version>
</dependency>
/**
 * @author ：duyang
 * @date ：Created in 2020-05-14 20:21
 * @description：對象佔用內存
 * @modified By：
 *
 *  Fruit對象頭是12字節（markword+class）
 *  int 佔4個字節
 *
 *  32位機器可能佔8個字節;
 *
 *  Object對象頭12 對齊填充4 一共是16
 */
public class ObjectMemory {
    public static void main(String[] args) {
        //System.out.print(ClassLayout.parseClass(Fruit.class).toPrintable());
        System.out.print(ClassLayout.parseInstance(Fruit.class).toPrintable());
    }
}

/**
 *Fruit 測試類
 */
public class Fruit {

    //佔一個字節大小
    private boolean flag;

}


測試結果：下面畫紅線的3行分別表示對象頭，實例數據和對齊填充。對象頭是12個字節，實例數據Fruit對象的一個boolean字段flag佔1個字節大小，其他3個字節是對齊填充的部分，一共是16個字節大小。性能

image.png


咦？你說的鎖呢，怎麼沒有看到呢？小夥，彆着急，待會咱們講到synchronized升級優化層面的時候再來詳細分析一波。下面咱們先分析下synchronized在JVM層面的意思。學習

image.png


最後上圖文總結：

image.png


synchronized JVM層面


/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-20 13:43
 * @description：鎖的jvm層面使用
 * @modified By：
 * 公衆號:叫練
 */
public class SyncJvmTest {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (SyncJvmTest.class) {
            System.out.println("jvm同步測試");
        }
    }
}

上面的案例中，咱們同步代碼塊中咱們簡單輸出一句話，咱們主要看看jvm中它是怎麼實現的。咱們用Javap -v SyncJvmTest.class反編譯出上面的代碼，以下圖所示。

image.png

上圖第一行有一個monitorenter和第六行一個monitorexit，中間的jvm指令（2-5行）對應的Java代碼中的main方法的代碼，synchronized就是依賴於這兩個指令實現。咱們來看看JVM規範中monitorenter語義。

  1. 每一個對象都有一把鎖，當一個線程進入同步代碼塊，都會去獲取這個對象所持有monitor對象鎖（C++實現），若是當前線程獲取鎖，會把monitor對象進入數自增1次。
  2. 若是該線程重複進入，會把monitor對象進入數再次自增1次。
  3. 當有其餘線程進入，會把其餘線程放入等待隊列排隊，直到獲取鎖的線程將monitor對象的進入數設置爲0釋放鎖，其餘線程纔有機會獲取鎖。


synchronized的優化層面

synchronized是一個重量級鎖，主要是由於線程競爭鎖會引發操做系統用戶態和內核態切換，浪費資源效率不高，在jdk1.5以前，synchronized沒有作任何優化，但在jdk1.6作了性能優化，它會經歷偏向鎖，輕量級鎖，最後纔到重量級鎖這個過程，在性能方面有了很大的提高，在jdk1.7的ConcurrentHashMap是基於ReentrantLock的實現了鎖，但在jdk1.8以後又替換成了synchronized，就從這一點能夠看出JVM團隊對synchronized的性能仍是挺有信心的。下面咱們分別來介紹下無鎖，偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖。下面咱們我畫張圖來描述這幾個級別鎖的在對象頭存儲狀態。如圖所示。

image.png

  • 無鎖。若是不加synchronized關鍵字，表示無鎖，很好理解。
  • 偏向鎖。
    • 升級過程：當線程進入同步塊時，Markword會存儲偏向線程的id而且cas將Markword鎖狀態標識爲01，是否偏向用1表示當前處於偏向鎖（對着上圖來看），若是是偏向線程下次進入同步代碼只要比較Markword的線程id是否和當前線程id相等，若是相等不用作任何操做就能夠進入同步代碼執行，若是不比較後不相等說明有其餘線程競爭鎖，synchronized會升級成輕量級鎖。這個過程當中在操做系統層面不用作內核態和用戶態的切換，減小切換線程帶來的資源消耗。
    • 膨脹過程：當有另外線程進入，偏向鎖會升級成輕量級鎖。好比線程A是偏向鎖，這是B線程進入，就會成輕量級鎖，只要有兩個線程就會升級成輕量級鎖。

下面咱們代碼來看下偏向鎖的鎖狀態。

package com.duyang.base.basic.markword;

import lombok.SneakyThrows;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-19 11:25
 * @description：markword測試
 * @modified By：
 * 公衆號:叫練
 */
public class MarkWordTest {

    private static Fruit fruit = new Fruit();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Task task = new Task();
        Thread threadA = new Thread(task);
        Thread threadB = new Thread(task);
        Thread threadC = new Thread(task);
        threadA.start();
        //threadA.join();
        //threadB.start();
        //threadC.start();
    }

    private static class Task extends Thread {

        @SneakyThrows
        @Override
        public void run() {
            synchronized (fruit) {
                System.out.println("==================="+Thread.currentThread().getId()+" ");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.print(ClassLayout.parseInstance(fruit).toPrintable());
            }
        }
    }
}

上面代碼啓動線程A，控制檯輸出以下圖所示，紅色標記3個bit是101分別表示，高位的1表示是偏向鎖，01是偏向鎖標識位。符合偏向鎖標識的狀況。

image.png

  • 輕量級鎖。
    • 升級過程：在線程運行獲取鎖後，會在棧幀中創造鎖記錄並將MarkWord複製到鎖記錄，而後將MarkWord指向鎖記錄，若是當前線程持有鎖，其餘線程再進入，此時其餘線程會cas自旋，直到獲取鎖，輕量級鎖適合多線程交替執行，效率高（cas只消耗cpu，我在cas原理一篇文章中詳細講過。）。
    • 膨脹過程：有兩種狀況會膨脹成重量級鎖。1種狀況是cas自旋10次還沒獲取鎖。第2種狀況其餘線程正在cas獲取鎖，第三個線程競爭獲取鎖，鎖也會膨脹變成重量級鎖。

下面咱們代碼來測試下輕量級鎖的鎖狀態。

打開23行-24行代碼，執行線程A，B，個人目的是順序執行線程A B ，因此我在代碼中先執行threadA.join()，讓A線程先執行完畢，再執行B線程，以下圖所示MarkWord鎖狀態變化，線程A開始是偏向鎖用101表示，執行線程B就變成輕量級鎖了，鎖狀態變成了00，符合輕量級鎖鎖狀態。證實完畢。

image.png

  • 重量級鎖。重量級鎖升級後是不可逆的，也就是說重量鎖不能夠再變爲輕量級鎖。

打開25行代碼，執行線程A，B，C，個人目的是先執行線程A，在代碼中先執行threadA.join()，讓A線程先執行完畢，而後再同時執行線程BC ，以下圖所示看看MarkWord鎖狀態變化，線程A開始是偏向鎖，到同時執行線程BC，由於有激烈競爭，屬於輕量級鎖膨脹條件第2種狀況，當其餘線程正在cas獲取鎖，第三個線程競爭獲取鎖，鎖也會膨脹變成重量級鎖。此時BC線程鎖狀態都變成了10，這種狀況符合重量級鎖鎖狀態。膨脹重量級鎖證實完畢。

image.png



到此爲止，咱們已經把synchronized鎖升級過程當中的鎖狀態經過代碼的形式都證實了一遍，但願對你有幫助。下圖是本身總結。

image.png


總結

多線程synchronized一直是個很重要的話題，也是面試中常見的考點。但願你們都能儘快理解掌握，分享給大家但願大家喜歡！

我是叫練，多叫多練，歡迎你們和我一塊兒討論交流，我會盡快回復你們，喜歡點贊和關注哦！公衆號【叫練】。

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