synchronized的三種形式

1. 對于普通的同步方法, 鎖的是當(dāng)前的實(shí)例對象
2. 對于靜態(tài)的同步方法, 鎖的是當(dāng)前的類對象
3. 對于同步方法塊, 鎖的是給定傳入的對象(類或?qū)嵗?

synchronized的實(shí)現(xiàn)原理

同步塊中的實(shí)現(xiàn)

同步塊中, JVM的實(shí)現(xiàn)是以 monitorenter 和 monitorexit 指令配對實(shí)現(xiàn)的.

當(dāng)進(jìn)入 monitorenter指令 時將嘗試獲取當(dāng)前對象的 monitor的持有權(quán),如果被其他線程占用而無法持有,當(dāng)前線程將被阻塞. monitorenter指令執(zhí)行結(jié)束,則表示當(dāng)前線程擁有了該對象的monitor持有權(quán).而monitorexit則表示釋放monitor的持有權(quán),即釋放了鎖.

// 源碼
    void lockBlock() {
        synchronized (Main.class) {

        }
    }

# 反匯編
  void lockBlock();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0000)
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter        # 進(jìn)入同步塊
         5: aload_1
         6: monitorexit         # 正常退出同步塊
         7: goto          15
        10: astore_2
        11: aload_1
        12: monitorexit         # 異常退出同步塊
        13: aload_2
        14: athrow
        15: return

同步方法中的實(shí)現(xiàn)

靜態(tài)同步方法和普通同步方法,是通過方法表結(jié)構(gòu)中的訪問標(biāo)識 access_flag設(shè)置為 ACC_SYNCHRONIZED來實(shí)現(xiàn)的.

當(dāng)方法調(diào)用時拓颓，調(diào)用指令將會 檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志是否被設(shè)置蔼水，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程將先持有monitor丢间， 然后再執(zhí)行方法姜挺，最后再方法完成(無論是正常完成還是非正常完成)時釋放monitor。

// 源碼
    synchronized void lockMethod() {

    }

# 反匯編
  synchronized void lockMethod();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0020) ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return

synchronized使用注意事項(xiàng)

1. 普通方法與同步方法調(diào)用互不關(guān)聯(lián)

當(dāng)一個線程進(jìn)入同步方法時，其他線程可以正常訪問其他非同步方法

2. 所有同步方法同時只能被一個線程訪問

當(dāng)一個線程執(zhí)行同步方法時咧党，其他線程不能訪問該對象的任何同步方法

3. 同一個鎖的同步代碼塊同一時刻只能被一個線程訪問

當(dāng)同步代碼塊都是同一個鎖時，方法可以被所有線程訪問陨亡，但同一個鎖的 同步代碼塊同一時刻只能被一個線程訪問.

    void lockBlock() {
        // todo... 這里所有的線程都能進(jìn)入
        synchronized (Main.class) {
            // todo... 同步代碼塊中,只有持有鎖的線程能進(jìn)入
        }
    }

3. 線程間同時訪問同一個鎖的多個同步代碼的執(zhí)行順序不定

線程間同時訪問同一個鎖多個同步方法的執(zhí)行順序不定傍衡，即使是使用同一個對象鎖，因?yàn)橥椒椒ńY(jié)束后,鎖被釋放,所有線程都有可能競爭到鎖.

class Demo {
    @Synchronized
    fun synchronizedMethod1(name: String) {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100)
        println("$name : synchronizedMethod1")
    }

    @Synchronized
    fun synchronizedMethod2(name: String) {
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100)
        println("$name : synchronizedMethod2")
    }
}

fun main(args: Array<String>) {
    val demo = Demo()
    thread {
        demo.synchronizedMethod1(Thread.currentThread().name)
        demo.synchronizedMethod2(Thread.currentThread().name)
    }
    thread {
        demo.synchronizedMethod2(Thread.currentThread().name)
        demo.synchronizedMethod1(Thread.currentThread().name)
    }
}

// ##########
Thread-0 : synchronizedMethod1
Thread-1 : synchronizedMethod1
Thread-1 : synchronizedMethod2
Thread-0 : synchronizedMethod2

4. 不同鎖之間訪問非阻塞

對于鎖類對象和鎖實(shí)例對象的鎖以及不同對象實(shí)例的鎖,都互不相關(guān)的鎖负蠕，相互之間不會有任何影響

5. 同步塊鎖基本變量或者字面量時,變量的值改變,鎖的對象也會發(fā)生改變.

fun method() {
    var lock = 1
    synchronized(lock) {
        // 如果此時 lock的值在外部被修改,如lock=2,值被修改成了2
        // 即使當(dāng)前同步方法沒有執(zhí)行完,其他等待的線程可以進(jìn)入,
        // 因?yàn)榇藭r鎖變成了 2 , 與之前的 1, 已經(jīng)不是一個鎖了
    }
}

synchronized 特點(diǎn)

1. 獨(dú)占性(互斥鎖)

synchronized是屬于線程獨(dú)占類型的鎖,一個線程拿到對象的鎖后,其他線程試圖進(jìn)入對象鎖的臨界資源時蛙埂，將會處于阻塞狀態(tài).
如果 A方法中 去獲取B的鎖, B方法中去獲取A的鎖,會導(dǎo)致A,B相互等待,形成死鎖.

2. 可重入性

當(dāng)一個線程再次請求自己持有對象鎖的臨界資源時，不需要通過鎖競爭,請求將會成功,這種情況屬于重入鎖.
因此在一個線程調(diào)用synchronized方法的同時在其方法體內(nèi)部調(diào)用該對象另一個synchronized方法遮糖，是允許的

3. 非公平性

公平鎖 : 多個線程在等待同一個鎖時绣的，必須按照申請鎖的時間順序排隊(duì)等待.(cpu吞吐量較低)
非公平鎖 : 則不保證這點(diǎn)，在鎖釋放時欲账，任何一個等待鎖的線程都有機(jī)會獲得鎖被辑。(cpu吞吐量高,極端情況下,某些等待線程將永遠(yuǎn)無法獲取到鎖)

4. 不可中斷性

如果一個代碼塊被synchronized修飾了，當(dāng)一個線程獲取了對應(yīng)的鎖敬惦，并執(zhí)行該代碼塊時盼理，其他線程便只能一直等待，等待獲取鎖的線程釋放鎖.

等待的線程將不可被中斷(interrupt方法也無法生效),只有兩種情況下能釋放鎖.

1. 獲取鎖的線程執(zhí)行完了該代碼塊俄删，然后線程釋放對鎖的占有
2. 線程執(zhí)行發(fā)生異常宏怔，此時JVM會讓線程自動釋放鎖

jvm對synchronized的優(yōu)化

JDK1.5中，synchronized是性能低效的畴椰。因?yàn)檫@是一個重量級操作臊诊，它對性能最大的影響是阻塞的是實(shí)現(xiàn)，掛起線程和恢復(fù)線程的操作都需要轉(zhuǎn)入內(nèi)核態(tài)中完成斜脂，這些操作給系統(tǒng)的并發(fā)性帶來了很大的壓力.

到了JDK1.6抓艳，發(fā)生了變化，對synchronized加入了很多優(yōu)化措施帚戳，有偏向鎖,輕量級鎖玷或，鎖消除，鎖升級片任，等等偏友。導(dǎo)致synchronized的效率大大的提升.

鎖的狀態(tài)總共有四種，無鎖狀態(tài)对供、偏向鎖位他、輕量級鎖和重量級鎖。隨著鎖的競爭，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖鹅髓，再升級的重量級鎖舞竿，但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級窿冯，不會出現(xiàn)鎖的降級.

對象頭

synchronized用的鎖是存在Java對象頭里的炬灭。如果對象是數(shù)組類型，則虛擬機(jī)用3個字寬（Word）存儲對象頭靡菇，如果對象是非數(shù)組類型，則用2字寬存儲對象頭米愿。在32位虛擬機(jī)中厦凤，1字寬等于4字節(jié)，即32bit.

32位對象頭.png

在運(yùn)行期間育苟，Mark Word里存儲的數(shù)據(jù)會隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化较鼓。Mark Word可能變
化為存儲以下4種數(shù)據(jù):

對象頭中鎖標(biāo)志.png

偏向鎖

在大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭违柏，而且總是由同一線程多次獲得博烂，因此為了減少同一線程獲取鎖(會涉及到一些CAS操作,耗時)的代價而引入偏向鎖。

偏向鎖的核心思想是漱竖，如果一個線程獲得了鎖禽篱，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)馍惹，當(dāng)這個線程再次請求鎖時躺率，無需再做任何同步操作 ，即獲取鎖的過程万矾，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請的操作悼吱，從而也就提供程序的性能。

對于鎖競爭比較激烈的場合良狈，偏向鎖將失效,這種情況下可能每次申請鎖的線程都是不相同的.偏向鎖失效后,會膨脹為輕量級鎖.

輕量級鎖

倘若偏向鎖失敗后添，虛擬機(jī)并不會立即升級為重量級鎖，它還會嘗試使用一種稱為輕量級鎖的優(yōu)化手段薪丁，此時Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級鎖的結(jié)構(gòu)遇西。

線程嘗試使用CAS來講對象頭中的 Mark Word 替換為指向鎖記錄的指針.如果成功,表示當(dāng)前線程獲取到鎖,如果失敗,則表示其他線程正在競爭鎖,當(dāng)前線程嘗試使用自旋來獲取鎖(空循環(huán)50或100次),如果再失敗將膨脹值 重量級鎖.

即自旋+CAS操作來嘗試修改鎖標(biāo)志,成功則獲取到鎖,失敗則升級為重量級鎖.

鎖消除

消除鎖是虛擬機(jī)另外一種鎖的優(yōu)化，這種優(yōu)化更徹底严嗜，Java虛擬機(jī)在JIT編譯時(可以簡單理解為當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時進(jìn)行編譯努溃，又稱即時編譯)，通過對運(yùn)行上下文的掃描阻问，去除不可能存在共享資源競爭的鎖梧税，通過這種方式消除沒有必要的鎖，可以節(jié)省毫無意義的請求鎖時間.

synchronized缺點(diǎn)

1. 只能進(jìn)行互斥操作,不能實(shí)現(xiàn)共享鎖,在某些場景下效率低.比如對只讀數(shù)據(jù)的操作.
2. 等待同步線程的不可中斷.
3. 沒有超時獲取鎖
4. 只能實(shí)現(xiàn)非公平鎖,無法實(shí)現(xiàn)公平鎖.

參考

CAS(Compare and Swap))

比較和交換. 需要輸入新值和舊值;如果內(nèi)存中的值與舊值相同,則內(nèi)存中的值更新為新值,否則不更新.
如果當(dāng)前狀態(tài)值等于預(yù)期值,則以原子方式將同步狀態(tài)設(shè)置為給定的更新值.
CAS操作具有volatile讀和寫的語義.

java中主要通過 UnSafe類的compareAndSwap系列方法來實(shí)現(xiàn),UnSafe是系統(tǒng)保護(hù)類,不能直接使用,使用時,需要通過反射調(diào)用.

cas 將在處理器中添加 LOCK_前綴的指令. 來保證執(zhí)行的原子性,禁止重排序,和刷新主內(nèi)存數(shù)據(jù).

三個問題 : ABA, 循環(huán)開銷大, 只保證一個共享變量的原子操作.

引用

1. java并發(fā)編程的藝術(shù)

2. 深入理解Java并發(fā)之synchronized實(shí)現(xiàn)原理

3. Java 8 并發(fā)篇 - 冷靜分析 Synchronized（上）