Java併發編程 Synchronized及其實現原理

時間 2019-11-21

標籤 java 併發編程 synchronized 及其實現原理欄目 Java 简体版

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Synchronized是Java中解決併發問題的一種最經常使用的方法，也是最簡單的一種方法。Synchronized的做用主要有三個：（1）確保線程互斥的訪問同步代碼（2）保證共享變量的修改可以及時可見（3）有效解決重排序問題。html

Java中每個對象均可以做爲鎖，這是synchronized實現同步的基礎：java

一、普通同步方法，鎖是當前實例對象數組

public class SynchronizedTest {
 4     public synchronized void method1(){
 5         System.out.println("Method 1 start");
 6         try {
 7             System.out.println("Method 1 execute");
 8             Thread.sleep(3000);
 9         } catch (InterruptedException e) {
10             e.printStackTrace();
11         }
12         System.out.println("Method 1 end");
13     }
14 
15     public synchronized void method2(){
16         System.out.println("Method 2 start");
17         try {
18             System.out.println("Method 2 execute");
19             Thread.sleep(1000);
20         } catch (InterruptedException e) {
21             e.printStackTrace();
22         }
23         System.out.println("Method 2 end");
24     }
25 
26     public static void main(String[] args) {
27         final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
28 
29         new Thread(new Runnable() {
30             @Override
31             public void run() {
32                 test.method1();
33             }
34         }).start();
35 
36         new Thread(new Runnable() {
37             @Override
38             public void run() {
39                 test.method2();
40             }
41         }).start();
42     }
43 }

二、靜態同步方法，鎖是當前類的class對象安全

public class SynchronizedTest {
 4      public static synchronized void method1(){
 5          System.out.println("Method 1 start");
 6          try {
 7              System.out.println("Method 1 execute");
 8              Thread.sleep(3000);
 9          } catch (InterruptedException e) {
10              e.printStackTrace();
11          }
12          System.out.println("Method 1 end");
13      }
14  
15      public static synchronized void method2(){
16          System.out.println("Method 2 start");
17          try {
18              System.out.println("Method 2 execute");
19              Thread.sleep(1000);
20          } catch (InterruptedException e) {
21              e.printStackTrace();
22          }
23          System.out.println("Method 2 end");
24      }
25  
26      public static void main(String[] args) {
27          final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
28          final SynchronizedTest test2 = new SynchronizedTest();
29  
30          new Thread(new Runnable() {
31              @Override
32              public void run() {
33                  test.method1();
34              }
35          }).start();
36  
37          new Thread(new Runnable() {
38              @Override
39              public void run() {
40                  test2.method2();
41              }
42          }).start();
43      }
44  }

三、同步方法塊，鎖是括號裏面的對象數據結構

public class SynchronizedTest {
 4     public void method1(){
 5         System.out.println("Method 1 start");
 6         try {
 7             synchronized (this) {
 8                 System.out.println("Method 1 execute");
 9                 Thread.sleep(3000);
10             }
11         } catch (InterruptedException e) {
12             e.printStackTrace();
13         }
14         System.out.println("Method 1 end");
15     }
16 
17     public void method2(){
18         System.out.println("Method 2 start");
19         try {
20             synchronized (this) {
21                 System.out.println("Method 2 execute");
22                 Thread.sleep(1000);
23             }
24         } catch (InterruptedException e) {
25             e.printStackTrace();
26         }
27         System.out.println("Method 2 end");
28     }
29 
30     public static void main(String[] args) {
31         final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
32 
33         new Thread(new Runnable() {
34             @Override
35             public void run() {
36                 test.method1();
37             }
38         }).start();
39 
40         new Thread(new Runnable() {
41             @Override
42             public void run() {
43                 test.method2();
44             }
45         }).start();
46     }
47 }

synchronize底層原理：多線程

Java 虛擬機中的同步(Synchronization)基於進入和退出Monitor對象實現，不管是顯式同步(有明確的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代碼塊)仍是隱式同步都是如此。在 Java 語言中，同步用的最多的地方多是被 synchronized 修飾的同步方法。同步方法並非由 monitorenter 和 monitorexit 指令來實現同步的，而是由方法調用指令讀取運行時常量池中方法表結構的 ACC_SYNCHRONIZED 標誌來隱式實現的，關於這點，稍後詳細分析。併發

同步代碼塊：monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令插入到同步代碼塊的結束位置，JVM須要保證每個monitorenter都有一個monitorexit與之相對應。任何對象都有一個monitor與之相關聯，當且一個monitor被持有以後，他將處於鎖定狀態。線程執行到monitorenter指令時，將會嘗試獲取對象所對應的monitor全部權，即嘗試獲取對象的鎖；app

在JVM中，對象在內存中的佈局分爲三塊區域：對象頭、實例變量和填充數據。以下：ide

實例變量：存放類的屬性數據信息，包括父類的屬性信息，若是是數組的實例部分還包括數組的長度，這部份內存按4字節對齊。工具

填充數據：因爲虛擬機要求對象起始地址必須是8字節的整數倍。填充數據不是必須存在的，僅僅是爲了字節對齊，這點了解便可。

對象頭：Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）。其中Klass Point是是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機經過這個指針來肯定這個對象是哪一個類的實例，Mark Word用於存儲對象自身的運行時數據，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。

Mark Word：用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等等。Java對象頭通常佔有兩個機器碼（在32位虛擬機中，1個機器碼等於4字節，也就是32bit），可是若是對象是數組類型，則須要三個機器碼，由於JVM虛擬機能夠經過Java對象的元數據信息肯定Java對象的大小，可是沒法從數組的元數據來確認數組的大小，因此用一塊來記錄數組長度。

Monior：咱們能夠把它理解爲一個同步工具，也能夠描述爲一種同步機制，它一般被描述爲一個對象。與一切皆對象同樣，全部的Java對象是天生的Monitor，每個Java對象都有成爲Monitor的潛質，由於在Java的設計中，每個Java對象自打孃胎裏出來就帶了一把看不見的鎖，它叫作內部鎖或者Monitor鎖。Monitor 是線程私有的數據結構，每個線程都有一個可用monitor record列表，同時還有一個全局的可用列表。每個被鎖住的對象都會和一個monitor關聯（對象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的惟一標識，表示該鎖被這個線程佔用。其結構以下：

Owner：初始時爲NULL表示當前沒有任何線程擁有該monitor record，當線程成功擁有該鎖後保存線程惟一標識，當鎖被釋放時又設置爲NULL；
EntryQ:關聯一個系統互斥鎖（semaphore），阻塞全部試圖鎖住monitor record失敗的線程。
RcThis:表示blocked或waiting在該monitor record上的全部線程的個數。
Nest:用來實現重入鎖的計數。
HashCode:保存從對象頭拷貝過來的HashCode值（可能還包含GC age）。
Candidate:用來避免沒必要要的阻塞或等待線程喚醒，由於每一次只有一個線程可以成功擁有鎖，若是每次前一個釋放鎖的線程喚醒全部正在阻塞或等待的線程，會引發沒必要要的上下文切換（從阻塞到就緒而後由於競爭鎖失敗又被阻塞）從而致使性能嚴重降低。Candidate只有兩種可能的值0表示沒有須要喚醒的線程1表示要喚醒一個繼任線程來競爭鎖。

Java虛擬機對synchronize的優化：

鎖的狀態總共有四種，無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。隨着鎖的競爭，鎖能夠從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖，可是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現鎖的降級，關於重量級鎖，前面咱們已詳細分析過，下面咱們將介紹偏向鎖和輕量級鎖以及JVM的其餘優化手段。

偏向鎖

偏向鎖是Java 6以後加入的新鎖，它是一種針對加鎖操做的優化手段，通過研究發現，在大多數狀況下，鎖不只不存在多線程競爭，並且老是由同一線程屢次得到，所以爲了減小同一線程獲取鎖(會涉及到一些CAS操做,耗時)的代價而引入偏向鎖。偏向鎖的核心思想是，若是一個線程得到了鎖，那麼鎖就進入偏向模式，此時Mark Word 的結構也變爲偏向鎖結構，當這個線程再次請求鎖時，無需再作任何同步操做，即獲取鎖的過程，這樣就省去了大量有關鎖申請的操做，從而也就提供程序的性能。因此，對於沒有鎖競爭的場合，偏向鎖有很好的優化效果，畢竟極有可能連續屢次是同一個線程申請相同的鎖。可是對於鎖競爭比較激烈的場合，偏向鎖就失效了，由於這樣場合極有可能每次申請鎖的線程都是不相同的，所以這種場合下不該該使用偏向鎖，不然會得不償失，須要注意的是，偏向鎖失敗後，並不會當即膨脹爲重量級鎖，而是先升級爲輕量級鎖。

輕量級鎖

假若偏向鎖失敗，虛擬機並不會當即升級爲重量級鎖，它還會嘗試使用一種稱爲輕量級鎖的優化手段(1.6以後加入的)，此時Mark Word 的結構也變爲輕量級鎖的結構。輕量級鎖可以提高程序性能的依據是「對絕大部分的鎖，在整個同步週期內都不存在競爭」，注意這是經驗數據。須要瞭解的是，輕量級鎖所適應的場景是線程交替執行同步塊的場合，若是存在同一時間訪問同一鎖的場合，就會致使輕量級鎖膨脹爲重量級鎖。

自旋鎖

輕量級鎖失敗後，虛擬機爲了不線程真實地在操做系統層面掛起，還會進行一項稱爲自旋鎖的優化手段。這是基於在大多數狀況下，線程持有鎖的時間都不會太長，若是直接掛起操做系統層面的線程可能會得不償失，畢竟操做系統實現線程之間的切換時須要從用戶態轉換到核心態，這個狀態之間的轉換須要相對比較長的時間，時間成本相對較高，所以自旋鎖會假設在不久未來，當前的線程能夠得到鎖，所以虛擬機會讓當前想要獲取鎖的線程作幾個空循環(這也是稱爲自旋的緣由)，通常不會過久，多是50個循環或100循環，在通過若干次循環後，若是獲得鎖，就順利進入臨界區。若是還不能得到鎖，那就會將線程在操做系統層面掛起，這就是自旋鎖的優化方式，這種方式確實也是能夠提高效率的。最後沒辦法也就只能升級爲重量級鎖了。

鎖消除

消除鎖是虛擬機另一種鎖的優化，這種優化更完全，Java虛擬機在JIT編譯時(能夠簡單理解爲當某段代碼即將第一次被執行時進行編譯，又稱即時編譯)，經過對運行上下文的掃描，去除不可能存在共享資源競爭的鎖，經過這種方式消除沒有必要的鎖，能夠節省毫無心義的請求鎖時間，以下StringBuffer的append是一個同步方法，可是在add方法中的StringBuffer屬於一個局部變量，而且不會被其餘線程所使用，所以StringBuffer不可能存在共享資源競爭的情景，JVM會自動將其鎖消除。

/**
 * Created by zejian on 2017/6/4.
 * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian 
 * 消除StringBuffer同步鎖
 */
public class StringBufferRemoveSync {

    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是線程安全,因爲sb只會在append方法中使用,不可能被其餘線程引用
        //所以sb屬於不可能共享的資源,JVM會自動消除內部的鎖
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            rmsync.add("abc", "123");
        }
    }

}

synchronize的可重入性：

從互斥鎖的設計上來講，當一個線程試圖操做一個由其餘線程持有的對象鎖的臨界資源時，將會處於阻塞狀態，但當一個線程再次請求本身持有對象鎖的臨界資源時，這種狀況屬於重入鎖，請求將會成功，在java中synchronized是基於原子性的內部鎖機制，是可重入的，所以在一個線程調用synchronized方法的同時在其方法體內部調用該對象另外一個synchronized方法，也就是說一個線程獲得一個對象鎖後再次請求該對象鎖，是容許的，這就是synchronized的可重入性。以下：

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    static int j=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){

            //this,當前實例對象鎖
            synchronized(this){
                i++;
                increase();//synchronized的可重入性
            }
        }
    }

    public synchronized void increase(){
        j++;
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

　　正如代碼所演示的，在獲取當前實例對象鎖後進入synchronized代碼塊執行同步代碼，並在代碼塊中調用了當前實例對象的另一個synchronized方法，再次請求當前實例鎖時，將被容許，進而執行方法體代碼，這就是重入鎖最直接的體現，須要特別注意另一種狀況，當子類繼承父類時，子類也是能夠經過可重入鎖調用父類的同步方法。注意因爲synchronized是基於monitor實現的，所以每次重入，monitor中的計數器仍會加1。

線程中斷：正如中斷二字所表達的意義，在線程運行(run方法)中間打斷它，在Java中，提供瞭如下3個有關線程中斷的方法

//中斷線程（實例方法）
public void Thread.interrupt();

//判斷線程是否被中斷（實例方法）
public boolean Thread.isInterrupted();

//判斷是否被中斷並清除當前中斷狀態（靜態方法）
public static boolean Thread.interrupted();

　等待喚醒機制與synchronize：所謂等待喚醒機制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用這3個方法時，必須處於synchronized代碼塊或者synchronized方法中，不然就會拋出IllegalMonitorStateException異常，這是由於調用這幾個方法前必須拿到當前對象的監視器monitor對象，也就是說notify/notifyAll和wait方法依賴於monitor對象，在前面的分析中，咱們知道monitor 存在於對象頭的Mark Word 中(存儲monitor引用指針)，而synchronized關鍵字能夠獲取 monitor ，這也就是爲何notify/notifyAll和wait方法必須在synchronized代碼塊或者synchronized方法調用的緣由。

本篇參考資料：http://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483?locationNum=5&fps=1

http://www.cnblogs.com/pureEve/p/6421273.html

http://www.cnblogs.com/paddix/p/5367116.html