一、synchronized簡(jiǎn)介
在并發(fā)編程中多個(gè)線程同時(shí)操作同一個(gè)資源，極易導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。因此為了解決這個(gè)問(wèn)題劣挫，當(dāng)存在多個(gè)線程操作共享數(shù)據(jù)時(shí)，需要保證同一時(shí)刻有且只有一個(gè)線程在操作共享數(shù)據(jù)钞脂，其他線程必須等到該線程處理完數(shù)據(jù)后再進(jìn)行揣云。
在Java中捕儒，關(guān)鍵字synchronized可以保證在同一個(gè)時(shí)刻冰啃，只有一個(gè)線程可以執(zhí)行某個(gè)方法或者某個(gè)代碼塊(主要是對(duì)方法或者代碼塊中存在共享數(shù)據(jù)的操作)，同時(shí)我們還應(yīng)該注意到synchronized另外一個(gè)重要的作用刘莹，synchronized可保證一個(gè)線程的變化(主要是共享數(shù)據(jù)的變化)被其他線程所看到（保證可見(jiàn)性阎毅，完全可以替代Volatile功能），這點(diǎn)確實(shí)也是很重要的点弯。
二扇调、synchronized應(yīng)用方式
synchronized主要有以下三種使用方式
作用于實(shí)例方法，當(dāng)前實(shí)例加鎖抢肛，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前實(shí)例的鎖狼钮；
作用于靜態(tài)方法碳柱，當(dāng)前類加鎖，進(jìn)去同步代碼前要獲得當(dāng)前類對(duì)象的鎖熬芜；
作用于代碼塊莲镣，這需要指定加鎖的對(duì)象，對(duì)所給的指定對(duì)象加鎖涎拉，進(jìn)入同步代碼前要獲得指定對(duì)象的鎖瑞侮。
1、作用于實(shí)例方法
public class SynchronizedMethodTest implements Runnable {
private int i = 0;
private static int TOTAL = 1000;
public synchronized void add() {
i++;
}
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < TOTAL; j++) {
add();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SynchronizedMethodTest s = new SynchronizedMethodTest();
Thread a = new Thread(s, "線程A");
Thread b = new Thread(s, "線程B");
a.start();
b.start();
a.join();
b.join();
System.out.printf("i=%s", s.i);
}
}
/**
* 輸出結(jié)果: i=2000
*/
2鼓拧、作用于靜態(tài)方法
package com.dragon.thread.sync;
public class SynchronizedStaticMethodTest implements Runnable {
private static int i = 0;
private static int TOTAL = 1000;
public synchronized static void add() {
i++;
}
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < TOTAL; j++) {
add();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SynchronizedStaticMethodTest s1 = new SynchronizedStaticMethodTest();
SynchronizedStaticMethodTest s2 = new SynchronizedStaticMethodTest();
Thread a = new Thread(s1, "線程A");
Thread b = new Thread(s2, "線程B");
a.start();
b.start();
a.join();
b.join();
System.out.printf("i=%s", i);
}
}
/**
* 輸出結(jié)果: i=2000
*/
3半火、作用于代碼塊
public class SynchronizedBlockTest implements Runnable {
private int i = 0;
private static int TOTAL = 1000;
public void add() {
synchronized (this) {
i++;
}
}
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < TOTAL; j++) {
add();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SynchronizedBlockTest s = new SynchronizedBlockTest();
Thread a = new Thread(s, "線程A");
Thread b = new Thread(s, "線程B");
a.start();
b.start();
a.join();
b.join();
System.out.printf("i=%s", s.i);
}
}
/**
* 輸出結(jié)果: i=2000
*/
三、synchronized底層原理
Java 虛擬機(jī)中的同步Synchronization基于進(jìn)入和退出管程Monitor對(duì)象實(shí)現(xiàn)季俩， 無(wú)論是顯式同步(有明確的monitorenter和monitorexit指令,即同步代碼塊)還是隱式同步都是如此钮糖。在 Java 語(yǔ)言中，同步用的最多的地方可能是被synchronized修飾的同步方法种玛。同步方法 并不是由monitorenter和monitorexit指令來(lái)實(shí)現(xiàn)同步的藐鹤，而是由方法調(diào)用指令讀取運(yùn)行時(shí)常量池中方法的ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)志來(lái)隱式實(shí)現(xiàn)的，關(guān)于這點(diǎn)赂韵，稍后詳細(xì)分析娱节。下面先來(lái)了解一個(gè)概念Java對(duì)象頭，這對(duì)深入理解synchronized實(shí)現(xiàn)原理非常關(guān)鍵祭示。
1肄满、理解Java對(duì)象頭與Monitor
在JVM中，對(duì)象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭质涛、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充稠歉。
對(duì)象頭
HotSpot虛擬機(jī)的對(duì)象頭包括兩部分信息：
- markword
第一部分markword,用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）汇陆、GC分代年齡怒炸、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖毡代、偏向線程ID阅羹、偏向時(shí)間戳等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度在32位和64位的虛擬機(jī)（未開(kāi)啟壓縮指針）中分別為32bit和64bit教寂，官方稱它為MarkWord捏鱼。 - klass
對(duì)象頭的另外一部分是klass類型指針，即對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針酪耕，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例. - 數(shù)組長(zhǎng)度（只有數(shù)組對(duì)象有）
如果對(duì)象是一個(gè)數(shù)組, 那在對(duì)象頭中還必須有一塊數(shù)據(jù)用于記錄數(shù)組長(zhǎng)度.
實(shí)例數(shù)據(jù)
實(shí)例數(shù)據(jù)部分是對(duì)象真正存儲(chǔ)的有效信息导梆，也是在程序代碼中所定義的各種類型的字段內(nèi)容。無(wú)論是從父類繼承下來(lái)的，還是在子類中定義的看尼，都需要記錄起來(lái)递鹉。
對(duì)齊填充
第三部分對(duì)齊填充并不是必然存在的，也沒(méi)有特別的含義藏斩，它僅僅起著占位符的作用梳虽。由于HotSpot VM的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對(duì)象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，換句話說(shuō)灾茁，就是對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍窜觉。而對(duì)象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)（1倍或者2倍），因此北专，當(dāng)對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)部分沒(méi)有對(duì)齊時(shí)禀挫，就需要通過(guò)對(duì)齊填充來(lái)補(bǔ)全。
32位虛擬機(jī)在不同狀態(tài)下markword結(jié)構(gòu)如下圖所示
其中輕量級(jí)鎖和偏向鎖是Java 6 對(duì)synchronized鎖進(jìn)行優(yōu)化后新增加的拓颓，稍后我們會(huì)簡(jiǎn)要分析语婴。這里我們主要分析一下重量級(jí)鎖也就是通常說(shuō)synchronized的對(duì)象鎖，鎖標(biāo)識(shí)位為10驶睦，其中指針指向的是monitor對(duì)象（也稱為管程或監(jiān)視器鎖）的起始地址砰左。每個(gè)對(duì)象都存在著一個(gè)monitor與之關(guān)聯(lián)，對(duì)象與其monitor之間的關(guān)系有存在多種實(shí)現(xiàn)方式场航，如monitor可以與對(duì)象一起創(chuàng)建銷(xiāo)毀或當(dāng)線程試圖獲取對(duì)象鎖時(shí)自動(dòng)生成缠导，但當(dāng)一個(gè)monitor被某個(gè)線程持有后，它便處于鎖定狀態(tài)溉痢。在Java虛擬機(jī)(HotSpot)中僻造，monitor是由ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)的，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（位于HotSpot虛擬機(jī)源碼ObjectMonitor.hpp文件孩饼，C++實(shí)現(xiàn)的）
ObjectMonitor() {
_header = NULL;//markOop對(duì)象頭
_count = 0;
_waiters = 0,//等待線程數(shù)
_recursions = 0;//重入次數(shù)
_object = NULL;//監(jiān)視器鎖寄生的對(duì)象髓削。鎖不是平白出現(xiàn)的，而是寄托存儲(chǔ)于對(duì)象中镀娶。
_owner = NULL;//初始時(shí)為NULL表示當(dāng)前沒(méi)有任何線程擁有該monitor record立膛，當(dāng)線程成功擁有該鎖后保存線程唯一標(biāo)識(shí)，當(dāng)鎖被釋放時(shí)又設(shè)置為NULL
_WaitSet = NULL;//處于wait狀態(tài)的線程梯码，會(huì)被加入到wait set宝泵；
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ;//處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到entry set忍些；
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;// _owner is (Thread *) vs SP/BasicLock
}
ObjectMonitor中有兩個(gè)隊(duì)列鲁猩，_WaitSet和_EntryList坎怪，用來(lái)保存ObjectWaiter對(duì)象列表( 每個(gè)等待鎖的線程都會(huì)被封裝成ObjectWaiter對(duì)象)罢坝，_owner指向持有ObjectMonitor對(duì)象的線程，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一段同步代碼時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入_EntryList集合嘁酿，當(dāng)線程獲取到對(duì)象的monitor后進(jìn)入_Owner區(qū)域并把monitor中的owner變量設(shè)置為當(dāng)前線程同時(shí)monitor中的計(jì)數(shù)器count加1隙券，若線程調(diào)用wait()方法，將釋放當(dāng)前持有的monitor闹司，owner變量恢復(fù)為null娱仔，count自減1，同時(shí)該線程進(jìn)入WaitSet集合中等待被喚醒游桩。若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放monitor(鎖)并復(fù)位變量的值牲迫，以便其他線程進(jìn)入獲取monitor(鎖)。如下圖所示
由此看來(lái)借卧，
monitor對(duì)象存在于每個(gè)Java對(duì)象的對(duì)象頭中(存儲(chǔ)的指針的指向)盹憎，synchronized鎖便是通過(guò)這種方式獲取鎖的，也是為什么Java中任意對(duì)象可以作為鎖的原因铐刘，同時(shí)也是notify/notifyAll/wait等方法存在于頂級(jí)對(duì)象Object中的原因(關(guān)于這點(diǎn)稍后還會(huì)進(jìn)行分析)陪每，ok~，有了上述知識(shí)基礎(chǔ)后镰吵，下面我們將進(jìn)一步分析synchronized在字節(jié)碼層面的具體語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)檩禾。
2、同步方法的實(shí)現(xiàn)原理
使用javap -v SynchronizedMethodTest.class反編譯
/**
* 此處省略大段代碼
*/
public synchronized void add();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
stack=3, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: getfield #2 // Field i:I
5: iconst_1
6: iadd
7: putfield #2 // Field i:I
10: return
/**
* 此處省略大段代碼
*/
}
SourceFile: "SynchronizedMethodTest.java"
3疤祭、同步代碼塊的實(shí)現(xiàn)原理
使用javap -v SynchronizedBlockTest.class反編譯
/**
* 此處省略大段代碼
*/
public void add();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=3, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter //申請(qǐng)獲得對(duì)象的內(nèi)置鎖
4: aload_0
5: dup
6: getfield #2 // Field i:I
9: iconst_1
10: iadd
11: putfield #2 // Field i:I
14: aload_1
15: monitorexit //釋放對(duì)象內(nèi)置鎖
16: goto 24
19: astore_2
20: aload_1
21: monitorexit //出現(xiàn)異常盼产，釋放對(duì)象內(nèi)置鎖
22: aload_2
23: athrow
24: return
/**
* 此處省略大段代碼
*/
}
SourceFile: "SynchronizedBlockTest.java"
從上述指令我們可以得出以下結(jié)論：
- 同步代碼塊是使用
monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)的，會(huì)在同步塊的區(qū)域通過(guò)監(jiān)聽(tīng)器對(duì)象去獲取鎖和釋放鎖勺馆，從而在字節(jié)碼層面來(lái)控制同步scope辆飘。 - 同步方法和靜態(tài)同步方法依靠的是方法修飾符上的
ACC_SYNCHRONIZED實(shí)現(xiàn)。JVM根據(jù)該修飾符來(lái)實(shí)現(xiàn)方法的同步谓传。當(dāng)方法調(diào)用時(shí)蜈项，調(diào)用指令將會(huì)檢查方法的ACC_SYNCHRONIZED訪問(wèn)標(biāo)志是否被設(shè)置，如果設(shè)置了续挟，執(zhí)行線程將先獲取monitor紧卒，獲取成功之后才能執(zhí)行方法體，方法執(zhí)行完后再釋放monitor诗祸。在方法執(zhí)行期間跑芳，其他任何線程都無(wú)法再獲得同一個(gè)monitor對(duì)象。
結(jié)束
