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淺析Java關(guān)鍵詞synchronized的使用

更新時間：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虛擬機為線程安全而引入的。
互斥同步是一種最常見的并發(fā)正確性的保障手段。同步是指在多個線程并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)時，保證共享數(shù)據(jù)在同一個時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)的同步語法。
synchronized修飾代碼塊，無論該代碼塊正常執(zhí)行完成還是發(fā)生異常，都會釋放鎖

synchronized對線程訪問的影響：

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，會阻塞其他線程的進入。
被synchronized修飾的同步塊對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，包括實例方法和靜態(tài)方法
修飾方法里的代碼塊，這時需要一個引用作為參數(shù)。
Synchronized作用地方不同，產(chǎn)生的鎖類型也不同，分為對象鎖和類鎖

2.1 對象鎖

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

2.1.1 Synchronized修飾實例方法

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();
    }

    //同一時刻只能被一個線程調(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)方法或指定鎖對象為Class，此時產(chǎn)生類鎖。多線程訪問該類的所有對象的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TempTest實例，但是依然是調(diào)用同一個doing方法（因為是個static）；因此doing還是會依次執(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) {}
        }
    }

運行結(jié)果：有序輸出【如果去掉static ，則線程會交替執(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 虛擬機如何辨別和處理synchronized

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

當(dāng)調(diào)用方法時，調(diào)用指令將會檢查方法的ACC_ SYNCHRONIZED訪問標(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，其他任何線程都無法再獲得同一個鎖。

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

3.2 虛擬機對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Javac編譯之后，會在同步塊的前后生成monitorenter和monitorexit兩個字節(jié)碼指令。
指令含義：monitorenter：獲取對象的鎖；monitorexit：釋放對象的鎖
執(zhí)行monitorenter指令時，首先嘗試獲取對象的鎖。如果對象沒被鎖定，或者當(dāng)前線程已經(jīng)持有了對象的鎖，就把鎖的計數(shù)器的值增加1
執(zhí)行monitorexit指令時，將鎖計數(shù)器的值減1，一旦計數(shù)器的值為零，鎖隨即就被釋放
如果獲取對象鎖失敗，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monitorenter和monitorexit指令依然可以正確配對執(zhí)行，編譯器會自動產(chǎn)生一個異常處理程序，它的目的就是用來執(zhí)行monitorexit指令。

3.3 虛擬機執(zhí)行加鎖和釋放鎖的過程

那么重點來了到這里，有幾個問題需明確：

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

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

鎖，一種可以被讀寫的資源，對象的鎖是對象的一部分。
對象的結(jié)構(gòu)中有部分稱為對象頭。
對象頭中有2bit空間，用于存儲鎖標(biāo)志，通過該標(biāo)志位來標(biāo)識對象是否被鎖定。

2. 如果確定鎖被線程持有？

代碼即將進入同步塊的時，如果鎖標(biāo)志位為“01”（對象未被鎖定），虛擬機首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個名為鎖記錄的空間，存儲鎖對象Mark Word的拷貝。（線程開辟空間并存儲對象頭）
虛擬機將使用CAS操作嘗試把對象的Mark Word更新成指向鎖記錄的指針（對象頭的mw存儲指向線程“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對象的鎖，并且將對象的鎖標(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)前線程競爭獲取該對象的鎖。虛擬機首先會檢查對象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是，說明當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個對象的鎖，那直接進入同步塊繼續(xù)執(zhí)行，否則就說明這個鎖對象已經(jīng)被其他線程搶占。
解鎖過程：CAS操作把線程中保存的MW拷貝替換回對象頭中。假如能夠成功替換，那整個同步過程就順利完成了;如果替換失敗，則說明有其他線程嘗試過獲取該鎖，就要在釋放鎖的同時，喚醒被掛起的線程。

3 執(zhí)行monitorenter后，對象發(fā)生什么變化？

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

4 鎖計數(shù)值保存在哪里？

我還沒搞懂。

monitorenter指令執(zhí)行的過程：

4 Synchronized與Lock

synchronized的缺陷

在多線程競爭鎖時，當(dāng)一個線程獲取鎖時，它會阻塞所有正在競爭的線程，這樣對性能帶來了極大的影響。
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)束才會釋放鎖；試圖獲取鎖的時候不能設(shè)定超時，不能中斷一個正在使用鎖的線程，相對而言，Lock可以中斷和設(shè)置超時
不夠靈活：加鎖和釋放的時機單一，每個鎖僅有一個單一的條件(某個對象)，相對而言，讀寫鎖更加靈活