synchronized用法原理和锁优化升级过程(面试)

叫练

简介

多线程一直是面试中的重点和难点,无论你现在处于啥级别段位,对synchronized关键字的学习避免不了,这是我的心得体会。下面咱们以面试的思维来对synchronized做一个系统的描述,如果有面试官问你,说说你对synchronized的理解?你可以从synchronized使用层面synchronized的JVM层面synchronized的优化层面3个方面做系统回答,说不定面试官会对你刮目相看哦!文章会有大量的代码是方便理解的,如果你有时间一定要动手敲下加深理解和记忆。如果这篇文章能对您能有所帮助是我创作路上最大欣慰。

image.png

synchronized使用层面

大家都知道synchronized是一把锁,锁究竟是什么呢?举个例子,你可以把锁理解为厕所门上那把锁的唯一钥匙,每个人要进去只能拿着这把钥匙可以去开这个厕所的门,这把钥匙在一时刻只能有一个人拥有,有钥匙的人可以反复出入厕所,在程序中我们叫做这种重复出入厕所行为叫锁的可重入。它可以修饰静态方法,实例方法和代码块 ,那下面我们一起来看看synchronized用于同步代码锁表达的意思。

  • 对于普通同步方法,锁的是对象实例。
  • 对于静态同步方法,锁的是类的Class对象。
  • 对于同步代码块,锁的是括号中的对象。

先说下同步和异步的概念。

  • 同步:交替执行。
  • 异步:同时执行。

举个例子比如吃饭和看电视两件事情,先吃完饭后再去看电视,在时间维度上这两件事是有先后顺序的,叫同步。可以一边吃饭,一边看刷剧,在时间维度上是不分先后同时进行的,饭吃完了电视也看了,就可以去学习了,这就是异步,异步的好处是可以提高效率,这样你就可以节省时间去学习了。

下面我们看看代码,代码中有做了很详细的注释,可以复制到本地进行测试。如果有synchronized基础的童鞋,可以跳过锁使用层面的讲解。

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2020-12-17 14:48
 * @description:测试静态方法同步和普通方法同步是不同的锁,包括synchronized修饰的静态代码块用法;
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class SyncTest {

    public static void main(String[] args) {
        Service service = new Service();
        /**
         * 启动下面4个线程,分别测试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();

    }

    /**
     * 此案例说明了synchronized修饰的静态方法和普通方法获取的不是同一把锁,因为他们是异步的,相当于是同步执行;
     */
    private static class Service {
        /**
         * m1方法synchronized修饰静态方法,锁表示锁定的是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修饰静态方法,锁表示锁定的是Service.class
         * 当线程AB同时启动,m1和m2方法是同步的。可以证明m1和m2是同一把锁。
         */
        public synchronized static void m2() {
            System.out.println("m2 getlock");
            System.out.println("m2 releaselock");
        }

        /**
         * m3方法synchronized修饰的普通方法,锁表示锁定的是Service service = new Service();中的service对象;
         */
        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修饰的同步代码块,锁表示锁定的是当前对象实例,也就是Service service = new Service();中的service对象;和m3一样,是同一把锁;
         * 2.当线程CD同时启动,m3和m4方法是同步的。可以证明m3和m4是同一把锁。
         * 3.synchronized也可以修饰其他对象,比如synchronized (Service.class),此时m4,m1,m2方法是同步的,启动线程ABD可以证明。
         */
        public void m4() {
            synchronized (this) {
                System.out.println("m4 getlock");
                System.out.println("m4 releaselock");
            }
        }

    }
}

经过上面的测试,你可以能会有疑问,锁既然是存在的,那它存储在什么地方?答案:对象里面。下面我们用代码来证明下。

锁在对象头里面,一个对象包括对象头,实例数据和对齐填充。对象头包括MarkWord和对象指针,对象指针是指向方法区的对象类型的,,实例对象就是属性数据,一个对象可能有很多属性,属性是动态的。对齐填充是为了补齐字节数的,如果对象大小不是8字节的整数倍,需要补齐剩余的字节数,这是方便计算机来计算的。在64位机器里面,一个对象的对象头一般占12个自己大小,在64位操作系统一般占4个字节,所以MarkWord就是8个字节了。

MarkWord包括对象hashcode,偏向锁标志位,线程id和锁的标识。为了方便测试对象头的内容,需要引入maven openjdk的依赖包。

<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:对象占用内存
 * @modified By:
 *
 *  Fruit对象头是12字节(markword+class)
 *  int 占4个字节
 *
 *  32位机器可能占8个字节;
 *
 *  Object对象头12 对齐填充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 测试类
 */
public class Fruit {

    //占一个字节大小
    private boolean flag;

}

测试结果:下面画红线的3行分别表示对象头,实例数据和对齐填充。对象头是12个字节,实例数据Fruit对象的一个boolean字段flag占1个字节大小,其余3个字节是对齐填充的部分,一共是16个字节大小。

image.png

咦?你说的锁呢,怎么没有看到呢?小伙,别着急,待会我们讲到synchronized升级优化层面的时候再来详细分析一波。下面我们先分析下synchronized在JVM层面的意思。

image.png

最后上图文总结:

image.png

synchronized JVM层面

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2020-12-20 13:43
 * @description:锁的jvm层面使用
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class SyncJvmTest {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (SyncJvmTest.class) {
            System.out.println("jvm同步测试");
        }
    }
}

上面的案例中,我们同步代码块中我们简单输出一句话,我们主要看看jvm中它是怎么实现的。我们用Javap -v SyncJvmTest.class反编译出上面的代码,如下图所示。

image.png

上图第一行有一个monitorenter和第六行一个monitorexit,中间的jvm指令(2-5行)对应的Java代码中的main方法的代码,synchronized就是依赖于这两个指令实现。我们来看看JVM规范中monitorenter语义

  1. 每个对象都有一把锁,当一个线程进入同步代码块,都会去获取这个对象所持有monitor对象锁(C++实现),如果当前线程获取锁,会把monitor对象进入数自增1次。
  2. 如果该线程重复进入,会把monitor对象进入数再次自增1次。
  3. 当有其他线程进入,会把其他线程放入等待队列排队,直到获取锁的线程将monitor对象的进入数设置为0释放锁,其他线程才有机会获取锁。

synchronized的优化层面

synchronized是一个重量级锁,主要是因为线程竞争锁会引起操作系统用户态和内核态切换,浪费资源效率不高,在jdk1.5之前,synchronized没有做任何优化,但在jdk1.6做了性能优化,它会经历偏向锁,轻量级锁,最后才到重量级锁这个过程,在性能方面有了很大的提升,在jdk1.7的ConcurrentHashMap是基于ReentrantLock的实现了锁,但在jdk1.8之后又替换成了synchronized,就从这一点可以看出JVM团队对synchronized的性能还是挺有信心的。下面我们分别来介绍下无锁,偏向锁,轻量级锁,重量级锁。下面我们我画张图来描述这几个级别锁的在对象头存储状态。如图所示。

image.png

  • 无锁。如果不加synchronized关键字,表示无锁,很好理解。
  • 偏向锁。
  • 升级过程:当线程进入同步块时,Markword会存储偏向线程的id并且cas将Markword锁状态标识为01,是否偏向用1表示当前处于偏向锁(对着上图来看),如果是偏向线程下次进入同步代码只要比较Markword的线程id是否和当前线程id相等,如果相等不用做任何操作就可以进入同步代码执行,如果不比较后不相等说明有其他线程竞争锁,synchronized会升级成轻量级锁。这个过程中在操作系统层面不用做内核态和用户态的切换,减少切换线程带来的资源消耗。
  • 膨胀过程:当有另外线程进入,偏向锁会升级成轻量级锁。比如线程A是偏向锁,这是B线程进入,就会成轻量级锁,只要有两个线程就会升级成轻量级锁

下面我们代码来看下偏向锁的锁状态。

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测试
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
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());
            }
        }
    }
}

上面代码启动线程A,控制台输出如下图所示,红色标记3个bit是101分别表示,高位的1表示是偏向锁,01是偏向锁标识位。符合偏向锁标识的情况。

image.png

  • 轻量级锁。
  • 升级过程:在线程运行获取锁后,会在栈帧中创造锁记录并将MarkWord复制到锁记录,然后将MarkWord指向锁记录,如果当前线程持有锁,其他线程再进入,此时其他线程会cas自旋,直到获取锁,轻量级锁适合多线程交替执行,效率高(cas只消耗cpu,我在cas原理一篇文章中详细讲过。)。
  • 膨胀过程:有两种情况会膨胀成重量级锁。1种情况是cas自旋10次还没获取锁。第2种情况其他线程正在cas获取锁,第三个线程竞争获取锁,锁也会膨胀变成重量级锁。

下面我们代码来测试下轻量级锁的锁状态。

打开23行-24行代码,执行线程A,B,我的目的是顺序执行线程A B ,所以我在代码中先执行threadA.join(),让A线程先执行完毕,再执行B线程,如下图所示MarkWord锁状态变化,线程A开始是偏向锁用101表示,执行线程B就变成轻量级锁了,锁状态变成了00,符合轻量级锁锁状态。证明完毕。

image.png

  • 重量级锁。重量级锁升级后是不可逆的,也就是说重量锁不可以再变为轻量级锁。

打开25行代码,执行线程A,B,C,我的目的是先执行线程A,在代码中先执行threadA.join(),让A线程先执行完毕,然后再同时执行线程BC ,如下图所示看看MarkWord锁状态变化,线程A开始是偏向锁,到同时执行线程BC,因为有激烈竞争,属于轻量级锁膨胀条件第2种情况,当其他线程正在cas获取锁,第三个线程竞争获取锁,锁也会膨胀变成重量级锁。此时BC线程锁状态都变成了10,这种情况符合重量级锁锁状态。膨胀重量级锁证明完毕。

image.png

到此为止,我们已经把synchronized锁升级过程中的锁状态通过代码的形式都证明了一遍,希望对你有帮助。下图是自己总结。

image.png

总结

多线程synchronized一直是个很重要的话题,也是面试中常见的考点。希望大家都能尽快理解掌握,分享给你们希望你们喜欢!

我是叫练,多叫多练,欢迎大家和我一起讨论交流,我会尽快回复大家,喜欢点赞和关注哦!公众号【叫练】。

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