synchronized详解

三分恶
synchronized是Java多线程中元老级的锁,也是面试的高频考点,让我们来详细了解synchronized吧。

在Java中,synchronized锁可能是我们最早接触的锁了,在 JDK1.5之前synchronized是一个重量级锁,相对于juc包中的Lock,synchronized显得比较笨重

庆幸的是在 Java 6 之后 Java 官⽅对从 JVM 层⾯对synchronized进行⼤优化,所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错。

一、synchronized 使用

1、synchronized的作用

synchronized 的作用主要有三:

  • (1)、原子性所谓原子性就是指一个操作或者多个操作,要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。synchronized修饰的类或对象的所有操作都是原子的,因为在执行操作之前必须先获得类或对象的锁,直到执行完才能释放。
  • (2)、可见性可见性是指多个线程访问一个资源时,该资源的状态、值信息等对于其他线程都是可见的。 synchronized和volatile都具有可见性,其中synchronized对一个类或对象加锁时,一个线程如果要访问该类或对象必须先获得它的锁,而这个锁的状态对于其他任何线程都是可见的,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到共享内存当中,保证资源变量的可见性。
  • (3)、有序性有序性值程序执行的顺序按照代码先后执行。 synchronized和volatile都具有有序性,Java允许编译器和处理器对指令进行重排,但是指令重排并不会影响单线程的顺序,它影响的是多线程并发执行的顺序性。synchronized保证了每个时刻都只有一个线程访问同步代码块,也就确定了线程执行同步代码块是分先后顺序的,保证了有序性。

2、synchronized的使用

Synchronized主要有三种用法

  • (1)、修饰实例方法: 作用于当前对象实例加锁,进入同步代码前要获得 当前对象实例的锁

    synchronized void method() {
      //业务代码
    }
  • (2)、修饰静态方法: 也就是给当前类加锁,会作用于类的所有对象实例 ,进入同步代码前要获得 当前 class 的锁。因为静态成员不属于任何一个实例对象,是类成员( static 表明这是该类的一个静态资源,不管 new 了多少个对象,只有一份)。所以,如果一个线程 A 调用一个实例对象的非静态 synchronized 方法,而线程 B 需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized 方法,是允许的,不会发生互斥现象,因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的锁,而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁
synchronized void staic method() {
  //业务代码
}
  • (3)、修饰代码块 :指定加锁对象,对给定对象/类加锁。synchronized(this|object) 表示进入同步代码库前要获得给定对象的锁synchronized(类.class) 表示进入同步代码前要获得 当前 class 的锁
synchronized(this) {
  //业务代码
}

简单总结一下

synchronized 关键字加到 static 静态方法和 synchronized(class) 代码块上都是是给 Class 类上锁。

synchronized 关键字加到实例方法上是给对象实例上锁。

接下来看一个 synchronized 使用经典实例—— 线程安全的单例模式:

public class Singleton {
    //保证有序性,防止指令重排
    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public  static Singleton getUniqueInstance() {
       //先判断对象是否已经实例过,没有实例化过才进入加锁代码
        if (uniqueInstance == null) {
            //类对象加锁
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

二、synchronized同步原理

数据同步需要依赖锁,那锁的同步又依赖谁?synchronized给出的答案是在软件层面依赖JVM,而j.u.c.Lock给出的答案是在硬件层面依赖特殊的CPU指令。

1、synchronized 同步语句块原理

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("synchronized 代码块");
        }
    }
}

通过 JDK 自带的 javap 命令查看 SynchronizedDemo 类的相关字节码信息:首先切换到类的对应目录执行 javac SynchronizedDemo.java 命令生成编译后的 .class 文件,然后执行javap -c -s -v -l SynchronizedDemo.class

image-20210210160804090


从图中可以看出:

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorentermonitorexit 指令,其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置, monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。**

当执行 monitorenter 指令时,线程试图获取锁也就是获取 对象监视器 monitor 的持有权。

在 Java 虚拟机(HotSpot)中,Monitor 是基于 C++实现的,由ObjectMonitor实现的。每个对象中都内置了一个 ObjectMonitor对象。

另外,wait/notify等方法也依赖于monitor对象,这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法,否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

在执行monitorenter时,会尝试获取对象的锁,如果锁的计数器为 0 则表示锁可以被获取,获取后将锁计数器设为 1 也就是加 1。

在执行 monitorexit 指令后,将锁计数器设为 0,表明锁被释放。如果获取对象锁失败,那当前线程就要阻塞等待,直到锁被另外一个线程释放为止。

2、synchronized 修饰方法原理

public class SynchronizedDemo2 {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("synchronized 方法");
    }
}

反编译一下:

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synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令,取得代之的确实是 ACC_SYNCHRONIZED 标识,该标识指明了该方法是一个同步方法。JVM 通过该 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法,从而执行相应的同步调用。

简单总结一下

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorentermonitorexit 指令,其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置,monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令,取得代之的确实是 ACC_SYNCHRONIZED 标识,该标识指明了该方法是一个同步方法。

不过两者的本质都是对对象监视器 monitor 的获取。

三、synchronized同步概念

1、Java对象头

在JVM中,对象在内存中的布局分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充

img

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。

Hotspot 有两种对象头:

  • 数组类型,如果对象是数组类型,则虚拟机用3个字宽 (Word)存储对象头
  • 非数组类型:如果对象是非数组类型,则用2字宽存储对象头。

对象头由两部分组成

  • Mark Word:存储自身的运行时数据,例如 HashCode、GC 年龄、锁相关信息等内容。
  • Klass Pointer:类型指针指向它的类元数据的指针。

64 位虚拟机 Mark Word 是 64bit,在运行期间,Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

img

2、监视器(Monitor)

任何一个对象都有一个Monitor与之关联,当且一个Monitor被持有后,它将处于锁定状态。Synchronized在JVM里的实现都是 基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,虽然具体实现细节不一样,但是都可以通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现。

  1. MonitorEnter指令:插入在同步代码块的开始位置,当代码执行到该指令时,将会尝试获取该对象Monitor的所有权,即尝试获得该对象的锁;
  2. MonitorExit指令:插入在方法结束处和异常处,JVM保证每个MonitorEnter必须有对应的MonitorExit;

那什么是Monitor?可以把它理解为 一个同步工具,也可以描述为 一种同步机制,它通常被 描述为一个对象。

与一切皆对象一样,所有的Java对象是天生的Monitor,每一个Java对象都有成为Monitor的潜质,因为在Java的设计中 ,每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁,它叫做内部锁或者Monitor锁

也就是通常说Synchronized的对象锁,MarkWord锁标识位为10,其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。在Java虚拟机(HotSpot)中,Monitor是由ObjectMonitor实现的。

四、synchronized优化

从JDK5引入了现代操作系统新增加的CAS原子操作( JDK5中并没有对synchronized关键字做优化,而是体现在J.U.C中,所以在该版本concurrent包有更好的性能 ),从JDK6开始,就对synchronized的实现机制进行了较大调整,包括使用JDK5引进的CAS自旋之外,还增加了自适应的CAS自旋、锁消除、锁粗化、偏向锁、轻量级锁这些优化策略。由于此关键字的优化使得性能极大提高,同时语义清晰、操作简单、无需手动关闭,所以推荐在允许的情况下尽量使用此关键字,同时在性能上此关键字还有优化的空间。

锁主要存在四种状态,依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态,锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级的重量级锁。但是锁的升级是单向的,也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级

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1、偏向锁

偏向锁是JDK6中的重要引进,因为HotSpot作者经过研究实践发现,在大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低,引进了偏向锁。

当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID,以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁,只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。

如果测试成功,表示线程已经获得了锁。如果测试失败,则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1(表示当前是偏向锁):如果没有设置,则使用CAS竞争锁;如果设置了,则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制,所以当其他线程尝试竞争偏向锁时, 持有偏向锁的线程才会释放锁。

偏向锁的撤销,需要等待全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码)。它会首先暂停拥有偏向锁的线程,然后检查持有偏向锁的线程是否活着, 如果线程不处于活动状态,则将对象头设置成无锁状态;如果线程仍然活着,拥有偏向锁的栈会被执行,遍历偏向对象的锁记录,栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程,要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁,最后唤醒暂停的线程。

下图中的线 程1演示了偏向锁初始化的流程,线程2演示了偏向锁撤销的流程:

img

2、轻量级锁

引入轻量级锁的主要目的是 在没有多线程竞争的前提下,减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。当关闭偏向锁功能或者多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁,则会尝试获取轻量级锁。

(1)轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前,JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中,官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用 CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功,当前线程获得锁,如果失败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

(2)轻量级锁解锁

轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头,如果成 功,则表示没有竞争发生。如果失败,表示当前锁存在竞争,锁就会膨胀成重量级锁。

下图是 两个线程同时争夺锁,导致锁膨胀的流程图:

img

因为自旋会消耗CPU,为了避免无用的自旋(比如获得锁的线程被阻塞住了),一旦锁升级成重量级锁,就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下,其他线程试图获取锁时, 都会被阻塞住,当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程,被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

3、锁的优缺点比较

各种锁并不是相互代替的,而是在不同场景下的不同选择,绝对不是说重量级锁就是不合适的。每种锁是只能升级,不能降级,即由偏向锁->轻量级锁->重量级锁,而这个过程就是开销逐渐加大的过程。

如果是单线程使用,那偏向锁毫无疑问代价最小,并且它就能解决问题,连CAS都不用做,仅仅在内存中比较下对象头就可以了;

如果出现了其他线程竞争,则偏向锁就会升级为轻量级锁;

如果其他线程通过一定次数的CAS尝试没有成功,则进入重量级锁;

锁的优缺点的对比如下表:

优点缺点适用场景
偏向锁加锁和解锁不需要额外的消耗,和执行非同步方法仅有纳米级的差距如果线程间存在锁的竞争,会带来额外的锁撤销的消耗适用于只有一个线程访问的同步块场景
轻量级锁竞争的线程不会阻塞,提高了程序的相应速度如果始终得不到锁竞争的线程,使用自旋会消耗CPU追求响应时间
同步响应非常快
重量级锁线程竞争不使用自旋,不会消耗CPU线程阻塞,响应时间缓慢追求吞吐量
同步块执行速度较长



<big>参考:</big>

【1】:2020最新Java并发进阶常见面试题总结.md

【2】:方腾飞等编著 《Java并发编程的艺术》

【3】:synchronized 实现原理

【4】:深入分析Synchronized原理(阿里面试题)

【5】:☆啃碎并发(七):深入分析Synchronized原理

【6】:深入理解synchronized底层原理,一篇文章就够了!

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