浅析Java关键词synchronized的使用

目录

• 1 引入Synchronized
• 2 Synchronized的使用
• 2.1 对象锁
• 2.2 类锁
• 3 Synchronized原理分析
• 3.1 虚拟机如何辨别和处理synchronized
• 3.2 虚拟机对synchronized的编译处理
• 3.3 虚拟机执行加锁和释放锁的过程
• 4 Synchronized与Lock
• 5 使用Synchronized有哪些要注意的
• 知识补充

1 引入Synchronized

• Synchronized是java虚拟机为线程安全而引入的。
• 互斥同步是一种最常见的并发正确性的保障手段。同步是指在多个线程并发访问共享数据时，保证共享数据在同一个时刻只被一条线程使用。
• synchronized是最基本的互斥同步手段，它是一种块结构的同步语法。
• synchronized修饰代码块，无论该代码块正常执行完成还是发生异常，都会释放锁

synchronized对线程访问的影响：

• 被synchronized修饰的同步块在持有锁的线程执行完毕并释放锁之前，会阻塞其他线程的进入。
• 被synchronized修饰的同步块对同一条线程是可重入的

2 Synchronized的使用

可以作用在方法上或者方法里的代码块：

• 修饰方法，包括实例方法和静态方法
• 修饰方法里的代码块，这时需要一个引用作为参数。
• Synchronized作用地方不同，产生的锁类型也不同，分为对象锁和类锁

2.1 对象锁

Synchronized修饰实例方法或者代码块（锁对象不是*.class），此时生产对象锁。多线程访问该类的同一个对象的sychronized块是同步的，访问不同对象不受同步限制。

2.1.1 Synchronized修饰实例方法

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();
    }

    //同一时刻只能被一个线程调用
    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) {}
        }
    }

运行结果：

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修饰代码块

public class SynchronizedObjectLock implements Runnable {
    static SynchronizedObjectLock instence = new SynchronizedObjectLock();
    @Override
    public void run() {
        // 同步代码块形式：锁为this,两个线程使用的锁是一样的,线程1必须要等到线程0释放了该锁后，才能执行
        synchronized (this) {
            System.out.println("我是线程" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }
    }

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

运行结果：

我是线程Thread-0

Thread-0结束

我是线程Thread-1

Thread-1结束

2.2 类锁

synchronize修饰静态方法或指定锁对象为Class，此时产生类锁。多线程访问该类的所有对象的sychronized块是同步的，

2.2.1 synchronize修饰静态方法

    public static void main(String[] args){
        TempTest tempTest1 = new TempTest();
        TempTest tempTest2 = new TempTest();
        //虽然创建了两个TempTest实例，但是依然是调用同一个doing方法（因为是个static）；因此doing还是会依次执行
        Thread t1 = new Thread(() -> tempTest1.doing(Thread.currentThread().getName()));
        Thread t2 = new Thread(() -> tempTest2.doing(Thread.currentThread().getName()));
        t1.start();
        t2.start();
    }

    //修饰静态方法，则是类锁；
    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) {}
        }
    }

运行结果：有序输出 【如果去掉static ，则线程会交替执行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指定锁对象为Class

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

    @Override
    public void run() {
        // 所有线程需要的锁都是同一把
        synchronized(SynchronizedObjectLock.class){
            System.out.println("我是线程" + Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }
    }

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

结果：

我是线程Thread-0

Thread-0结束

我是线程Thread-1

Thread-1结束

3 Synchronized原理分析

3.1 虚拟机如何辨别和处理synchronized

虚拟机可以从常量池中的方法表结构中的ACC_ SYNCHRONIZED访问标志区分一个方法是否是同步方法。

当调用方法时，调用指令将会检查方法的ACC_ SYNCHRONIZED访问标志是否设置，如果设置了，执行线程将先持有同步锁，然后执行方法，最后在方法完成时释放同步锁。

在方法执行期间，执行线程持有了同步锁，其他任何线程都无法再获得同一个锁。

如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的锁将在异常抛到同步方法之外时自动释放。

3.2 虚拟机对synchronized的编译处理

以下代码：

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

编译后，这段代码生成的字节码序列如下:

• synchronized关键字经过Javac编译之后，会在同步块的前后生成monitorenter和monitorexit两个字节码指令。
• 指令含义：monitorenter：获取对象的锁；monitorexit：释放对象的锁
• 执行monitorenter指令时，首先尝试获取对象的锁。如果对象没被锁定，或者当前线程已经持有了对象的锁，就把锁的计数器的值增加1
• 执行monitorexit指令时，将锁计数器的值减1，一旦计数器的值为零，锁随即就被释放
• 如果获取对象锁失败，那当前线程阻塞等待，直到锁被释放。
• 为了保证在方法异常完成时monitorenter和monitorexit指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理程序，它的目的就是用来执行monitorexit指令。

3.3 虚拟机执行加锁和释放锁的过程

那么重点来了到这里，有几个问题需明确：

• 什么叫对象的锁？
• 如何确定锁被线程持有？
• 执行monitorenter后，对象发生什么变化？
• 锁计数值保存在哪里，如何获取到？

1. 什么叫对象的锁？对象的内存结构参考文末补充内容

• 锁，一种可以被读写的资源，对象的锁是对象的一部分。
• 对象的结构中有部分称为对象头。
• 对象头中有2bit空间，用于存储锁标志，通过该标志位来标识对象是否被锁定。

2. 如果确定锁被线程持有？

• 代码即将进入同步块的时，如果锁标志位为“01”（对象未被锁定），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录的空间，存储锁对象Mark Word的拷贝。（线程开辟空间并存储对象头）
• 虚拟机将使用CAS操作尝试把对象的Mark Word更新成指向锁记录的指针（对象头的mw存储指向线程“锁记录”中的指针）
• 如果CAS操作成功，即代表该线程拥有了这个对象的锁，并且将对象的锁标志位转变为“00”
• 如果CAS操作失败，那就意味着至少存在一条线程与当前线程竞争获取该对象的锁。虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那直接进入同步块继续执行，否则就说明这个锁对象已经被其他线程抢占。
• 解锁过程：CAS操作把线程中保存的MW拷贝替换回对象头中。假如能够成功替换，那整个同步过程就顺利完成了;如果替换失败，则说明有其他线程尝试过获取该锁，就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程。

3 执行monitorenter后，对象发生什么变化？

• 对象的锁标志位转变为“00”
• 拥有对象锁的线程开辟了新空间，保存了对象的Mark Word信息
• 对象的Mark Word保存了线程的锁记录空间的地址拷贝

4 锁计数值保存在哪里？

我还没搞懂。

monitorenter指令执行的过程：

4 Synchronized与Lock

synchronized的缺陷

• 在多线程竞争锁时，当一个线程获取锁时，它会阻塞所有正在竞争的线程，这样对性能带来了极大的影响。
• 挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，上下文切换需要消耗很大性能。
• 效率低：锁的释放情况少，只有代码执行完毕或者异常结束才会释放锁；试图获取锁的时候不能设定超时，不能中断一个正在使用锁的线程，相对而言，Lock可以中断和设置超时
• 不够灵活：加锁和释放的时机单一，每个锁仅有一个单一的条件(某个对象)，相对而言，读写锁更加灵活

5 使用Synchronized有哪些要注意的

锁对象不能为空，因为锁的信息都保存在对象头里

作用域不宜过大，影响程序执行的速度，控制范围过大，编写代码也容易出错

在能选择的情况下，既不要用Lock也不要用synchronized关键字，用java.util.concurrent包中的各种各样的类，如果有必要，使用synchronized关键，因为代码量少，避免出错

synchronized实际上是非公平的，新来的线程有可能立即获得执行，而在等待区中等候已久的线程可能再次等待，这样有利于提高性能，但是也可能会导致饥饿现象。

知识补充

Java内存层面的对象认识

说明：此分析基于HotSpot虚拟机

1 对象的创建

Java对象的创建方式有三种：

• 通过new创建
• 通过反序列化创建
• 通过复制创建

通过new方式的对象创建过程如下：

创建过程说明：

• 执行字节码遇到new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到 一个类的符号引用。
• 类的初始化过程在后续章节详细补充
• 给对象分配初始内存空间有两种方式：指针碰撞 和 空闲列表。
• 分配空间后，清空该段的【不包括对象头】值，保证对象属性的不设值就使用初始值
• 对象头信息包括：元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄
• 执行构造函数，给属性初始化设置的值

2 对象的内存布局

对象存储的内容分类以及明细如下：

关于对象头的补充说明：

• 对象头，在字长为32位和64位的虚拟机中分别为32比特(4字节)64比特(8字节)。
• 对象头的类型指针：不一定所有对象都会存储这项信息，意味着访问对象所属的类不一定通过对象自身。
• 如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

关于实例数据的补充说明：

• 对象属性的存储顺序，受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle参数）和字段在Java源码中定义顺序的影响
• 默认的分配策略下：占据相同字节数的属性会排列在一起，满足该条件下，父类的属性排在前面。

关于对齐填充的说明：

不一定会存在，因为对象的大小一定是8字节的整数倍，因此需要对齐填充这部分，充当占位符

在32位字长的虚拟机下，对象的内存分布情况如下：

3 对象的访问定位

对象访问方式也是由虚拟机实现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

3.1句柄访问

说明：

句柄访问方式，Java堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址

3.2 直接指针访问

说明：

使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，只需要一次定位就能找到实例数据，而句柄池则需要两次：（需要先定位句柄池，再定位实例数据）

以上就是浅析Java关键词synchronized的使用的详细内容，更多关于Java关键词synchronized的资料请关注其它相关文章！

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