為什么要用synchronized

相信大家對(duì)于這個(gè)問題一定都有自己的答案，這里我還是要啰嗦一下，我們來看下面這段車站售票的代碼：

/**
 * 車站開兩個(gè)窗口同時(shí)售票
 */
public class TicketDemo {

    public static void main(String[] args) {
        TrainStation station = new TrainStation();
        // 開啟兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行售票
        new Thread(station, "A").start();
        new Thread(station, "B").start();
    }
}

class TrainStation implements Runnable {
    private volatile int ticket = 10;
    @Override
    public void run() {
        while (ticket > 0) {
            System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "售出" + ticket + "號(hào)票");
            ticket = ticket - 1;
        }
    }
}

上面這段代碼是沒有做考慮線程安全問題的，執(zhí)行這段代碼可能會(huì)出現(xiàn)下面的運(yùn)行結(jié)果：

可以看出，兩個(gè)線程都買出了10號(hào)票，這在實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景中是絕對(duì)不能出現(xiàn)的。（你去坐火車有個(gè)大哥說你占了他的座，讓你滾，還說你是票販子，你氣不氣）

那因?yàn)橛羞@種問題的存在，我們應(yīng)該怎么解決呢？synchronized就是為了解決這種多線程共享數(shù)據(jù)安全問題的。

使用方式

synchronized的使用方式主要以下三種。

同步代碼塊

public static void main(String[] args) {
    String str = "hello world";
    synchronized (str) {
        System.out.println(str);
    }
}

同步實(shí)例方法

class TrainStation implements Runnable {
    private volatile int ticket = 100;

    // 關(guān)鍵字直接寫在實(shí)例方法簽名上
    public synchronized void sale() { 
        while (ticket > 0) {
            System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "售出" + ticket + "號(hào)票");
            ticket = ticket - 1;
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        sale();
    }
}

同步靜態(tài)方法

class TrainStation implements Runnable {
    // 注意這里ticket變量聲明為static的，因?yàn)殪o態(tài)方法只能訪問靜態(tài)變量
    private volatile static int ticket = 100;

    // 也可以直接放在靜態(tài)方法的簽名上
    public static synchronized void sale() {
        while (ticket > 0) {
            System.out.println("線程" + Thread.currentThread().getName() + "售出" + ticket + "號(hào)票");
            ticket = ticket - 1;
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        sale();
    }
}

字節(jié)碼語義

通過程序運(yùn)行，我們發(fā)現(xiàn)通過synchronized關(guān)鍵字確實(shí)可以保證線程安全，那計(jì)算機(jī)到底是怎么保證的呢？這個(gè)關(guān)鍵字背后到底做了些什么？我們可以看一下java代碼編譯后的class文件。首先來看同步代碼塊編譯后的class。通過javap -v 名稱可以查看字節(jié)碼文件：

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String hello world
         2: astore_1
         3: aload_1
         4: dup
         5: astore_2
         6: monitorenter			// 監(jiān)視器進(jìn)入
         7: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        10: aload_1
        11: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        14: aload_2
        15: monitorexit				// 監(jiān)視器退出
        16: goto          24
        19: astore_3
        20: aload_2
        21: monitorexit
        22: aload_3
        23: athrow
        24: return

注意看第6行和第15行，這兩個(gè)指令是增加synchronized代碼塊之后才會(huì)出現(xiàn)的，monitor是一個(gè)對(duì)象的監(jiān)視器，monitorenter代表這段指令的執(zhí)行要先拿到對(duì)象的監(jiān)視器之后，才能接著往下執(zhí)行，而monitorexit代表執(zhí)行完synchronized代碼塊之后要從對(duì)象監(jiān)視器中退出，也就是要釋放。所以這個(gè)對(duì)象監(jiān)視器也就是我們所說的鎖，獲取鎖就是獲取這個(gè)對(duì)象監(jiān)視器的所有權(quán)。

接下來我們?cè)诳纯磗ynchronized修飾實(shí)例方法時(shí)的字節(jié)碼文件是什么樣的。

 public synchronized void sale();
    descriptor: ()V
	//方法標(biāo)識(shí)ACC_PUBLIC代表public修飾，ACC_SYNCHRONIZED指明該方法為同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED 
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field ticket:I
	// 省略其他無關(guān)字節(jié)碼

可以看到synchronized修飾實(shí)例方法上之后不會(huì)再有monitorenter和monitorexit指令，而是直接在這個(gè)方法上增加一個(gè)ACC_SYNCHRONIZED的flag。當(dāng)程序在運(yùn)行時(shí)，調(diào)用sale()方法時(shí)，會(huì)檢查該方法是否有ACC_SYNCHRONIZED訪問標(biāo)識(shí)，如果有，則表明該方法是同步方法，這時(shí)候還行線程會(huì)先嘗試去獲取該方法對(duì)應(yīng)的監(jiān)視器（monitor）對(duì)象，如果獲取成功，則繼續(xù)執(zhí)行該sale()方法，在執(zhí)行期間，任何其他線程都不能再獲取該方法監(jiān)視器的使用權(quán)，知道該方法執(zhí)行完畢或者拋出異常，才會(huì)釋放，其他線程可以重新獲得該監(jiān)視器。

那么synchronized修飾靜態(tài)方法的字節(jié)碼文件是什么樣呢？

public static synchronized void sale();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #2                  // Field ticket:I
      // 省略其他無關(guān)字節(jié)碼

可以看出synchronized修飾靜態(tài)方法和實(shí)例方法沒有區(qū)別，都是增加一個(gè)ACC_SYNCHRONIZED的flag，靜態(tài)方法只是比實(shí)例方法多一個(gè)ACC_STATIC標(biāo)識(shí)代表這個(gè)方法是靜態(tài)的。

以上的同步代碼塊，同步方法中都提到對(duì)象監(jiān)視器這個(gè)概念，那么三種同步方式使用的對(duì)象監(jiān)視器具體是哪個(gè)對(duì)象呢？

同步代碼塊的對(duì)象監(jiān)視器就是使用的我們synchronized(str)中的str,也就是我們括號(hào)中指定的對(duì)象。而我們?cè)陂_發(fā)中增加同步代碼塊的目的是為了多個(gè)線程同一時(shí)間只能有一個(gè)線程持有監(jiān)視器，所以這個(gè)對(duì)象的指定一定要是多個(gè)線程共享的對(duì)象，不能直接在括號(hào)中new一個(gè)對(duì)象，這樣不能做到互斥，也就不能保證安全。

同步實(shí)例方法的對(duì)象監(jiān)視器是當(dāng)前這個(gè)實(shí)例，也就是this。

同步靜態(tài)方法的對(duì)象監(jiān)視器是當(dāng)前這個(gè)靜態(tài)方法所在類的Class對(duì)象，我們都知道Java中每個(gè)類在運(yùn)行過程中也會(huì)用一個(gè)對(duì)象表示，就是這個(gè)類的對(duì)象，每個(gè)類有且僅有一個(gè)。

對(duì)象鎖（monitor）

上面說了線程要進(jìn)入同步代碼塊需要先獲取到對(duì)象監(jiān)視器，也就是對(duì)象鎖，那在開始說之前我們先來了解下在Java中一個(gè)對(duì)象都由哪些東西組成。

這里先問大家一個(gè)問題，Object obj = new Object()這段代碼在JVM中是怎樣的一個(gè)內(nèi)存分布？

想必了解過JVM知識(shí)的同學(xué)應(yīng)該都知道，new Object()會(huì)在堆內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，Object obj是棧內(nèi)存中的一個(gè)引用，這個(gè)引用指向堆中的對(duì)象。那么怎么知道堆內(nèi)存中的對(duì)象到底由哪些內(nèi)容組成呢？這里給大家介紹一個(gè)工具叫JOL(Java Object Layout)Java對(duì)象布局。可以通過maven在項(xiàng)目中直接引入。

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

引入之后在代碼中可以打印出對(duì)象的內(nèi)存分布。

public static void main(String[] args) {
    Object obj = new Object();
    // parseInstance將對(duì)象解析，toPrintable讓解析后的結(jié)果可輸出
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}

輸出后的結(jié)果如下：

java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

從結(jié)果上可以看出，這個(gè)obj對(duì)象主要分4部分，每部分的SIZE=4代表4個(gè)字節(jié)，前三行是對(duì)象頭object header，最后一行的4個(gè)字節(jié)是為了保證一個(gè)對(duì)象的大小能是8的整數(shù)倍。

我們?cè)賮砜纯磳?duì)于一個(gè)加了鎖的對(duì)象，打印出來有什么不一樣？

public static void main(String[] args) {
    Object obj = new Object();
    synchronized (obj){
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }
}

java.lang.Object object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 58 f7 19 01 (01011000 11110111 00011001 00000001) (18478936)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

可以很明顯的看到，最前面的8個(gè)字節(jié)發(fā)生了變化，也就是Mark Word變了。所以給對(duì)象加鎖，實(shí)際就是改變對(duì)象的Mark Word。

Mark Word中的這8個(gè)字節(jié)具有不同的含義，為了讓這64個(gè)bit能表示更多信息，JVM將最后2位設(shè)置為標(biāo)記位，不同標(biāo)記位下的Mark word含義如下：

其中最后兩位的鎖標(biāo)記位，不同值代表不同含義。

biased_lock標(biāo)記該對(duì)象是否啟用偏向鎖，1代表啟用偏向鎖，0代表未啟用。

age：4位的Java對(duì)象年齡。在GC中，如果對(duì)象在Survivor區(qū)復(fù)制一次，年齡增加1。當(dāng)對(duì)象達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，將會(huì)晉升到老年代。默認(rèn)情況下，并行GC的年齡閾值為15，并發(fā)GC的年齡閾值為6。由于age只有4位，所以最大值為15，這就是-XX:MaxTenuringThreshold選項(xiàng)最大值為15的原因。

identity_hashcode：25位的對(duì)象標(biāo)識(shí)Hash碼，采用延遲加載技術(shù)。調(diào)用方法System.identityHashCode()計(jì)算，并會(huì)將結(jié)果寫到該對(duì)象頭中。當(dāng)對(duì)象被鎖定時(shí)，該值會(huì)移動(dòng)到管程Monitor中。

thread：持有偏向鎖的線程ID。

epoch：偏向時(shí)間戳。

ptr_to_lock_record：指向棧中鎖記錄的指針。

ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指針。

鎖升級(jí)過程

既然會(huì)有無鎖，偏向鎖，輕量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖，那么這些鎖是怎么樣一個(gè)升級(jí)過程呢，我們來看一下。

新建

從前面講到對(duì)象頭的結(jié)構(gòu)和我們上面打印出來的對(duì)象內(nèi)存分布，可以看出新創(chuàng)建的一個(gè)對(duì)象，它的標(biāo)記位是00，偏向鎖標(biāo)記(biased_lock)也是0，表示該對(duì)象是無鎖態(tài)。

偏向鎖

偏向鎖是指當(dāng)一段同步代碼被同一個(gè)線程所訪問時(shí)，不存在其他線程的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，那么該線程在以后訪問時(shí)便會(huì)自動(dòng)獲得鎖，從而降低獲取鎖帶來的消耗，提高性能。

當(dāng)一個(gè)線程訪問同步代碼塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在 Mark Word 里存儲(chǔ)線程 ID。在線程進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不再通過 CAS 操作來加鎖和解鎖，而是檢測(cè) Mark Word 里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。輕量級(jí)鎖的獲取及釋放依賴多次 CAS 原子指令，而偏向鎖只需要在置換 ThreadID 的時(shí)候依賴一次 CAS 原子指令即可。

輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖是指當(dāng)鎖是偏向鎖的時(shí)候，有其他線程來競(jìng)爭(zhēng)，但是該鎖正在被其他線程訪問，那么就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖?；蛘哌€有一種情況就是關(guān)閉JVM的偏向鎖開關(guān)，那么一開始鎖對(duì)象就會(huì)被標(biāo)記位輕量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖考慮的是競(jìng)爭(zhēng)鎖對(duì)象的線程不多，而且線程持有鎖的時(shí)間也不長(zhǎng)的情景。因?yàn)樽枞€程需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，代價(jià)較大，如果剛剛阻塞不久這個(gè)鎖就被釋放了，那這個(gè)代價(jià)就有點(diǎn)得不償失了，因此這個(gè)時(shí)候就干脆不阻塞這個(gè)線程，讓它自旋這等待鎖釋放。

在進(jìn)入同步代碼時(shí)，如果對(duì)象鎖狀態(tài)符合升級(jí)輕量級(jí)鎖的條件，虛擬機(jī)會(huì)在當(dāng)前想要競(jìng)爭(zhēng)鎖的線程的棧幀中開辟一個(gè)Lock Record空間，并將鎖對(duì)象的Mark Word拷貝到Lock Record空間中。

然后虛擬機(jī)會(huì)使用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指針，并將Lock Record中的owner指針指向?qū)ο蟮腗ark Word。

如果操作成功，則表示當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗則表示其他線程持有該鎖，當(dāng)前線程會(huì)嘗試使用自旋的方式來重新獲取。

輕量級(jí)鎖解鎖時(shí)，會(huì)使用CAS操作將Lock Record替換回到對(duì)象頭，如果成功，則表示沒有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生。如果失敗，表示當(dāng)前鎖存在競(jìng)爭(zhēng)，鎖就會(huì)膨脹成重量級(jí)鎖。

重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖是指當(dāng)有一個(gè)線程獲取鎖之后，其余所有等待獲取該鎖的線程都會(huì)處于阻塞狀態(tài)。是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex實(shí)現(xiàn)，Mutex也叫互斥鎖。也就是說重量級(jí)鎖會(huì)讓鎖從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，將線程的調(diào)度交給操作系統(tǒng)，性能相比會(huì)很低。

整個(gè)鎖升級(jí)的過程通過下面這張圖能更全面的展示。

到此這篇關(guān)于java synchronized的用法及原理詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)java synchronized內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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