Synchronized原理

1、Synchronized是什么

　　Synchronized是Java中的关键字。

2、Synchronized的作用

　　Synchronized可避免多线程同时操作临界资源，同一时间点，只会有一个线程操作临界资源，保证了操作的原子性。

3、Synchronized的使用

　　Synchronized可以修饰静态方法、非静态方法、代码块。Synchronized示例详情：

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TestSynchronized {

    private static int count;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        int finalIndex = 20;
        TestSynchronized testSynchronized = new TestSynchronized();
        for (int i = 0; i < finalIndex; i++) {
            new Thread(() -> {
                testSynchronized.add("没有synchronized修饰的添加方法");
            }).start();
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("============================================================");
        count = 0;
        for (int i = 0; i < finalIndex; i++) {
            new Thread(() -> {
                add01("synchronized修饰静态方法");
            }).start();
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("============================================================");
        count = 0;
        for (int i = 0; i < finalIndex; i++) {
            new Thread(() -> {
                testSynchronized.add02("synchronized修饰非静态方法");
            }).start();
        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println("============================================================");
        count = 0;
        for (int i = 0; i < finalIndex; i++) {
            new Thread(() -> {
                testSynchronized.add03("synchronized修饰代码块");
            }).start();
        }
    }

    public void add(String msg) {
        count++;
        System.out.println(msg + " ：" + count);
    }

    public static  synchronized void add01(String msg) {
        count ++;
        System.out.println(msg + " ：" + count);
    }

    public synchronized void add02(String msg) {
        count ++;
        System.out.println(msg + " ：" + count);
    }

    public void add03(String msg) {
        synchronized (TestSynchronized.class) {
            count ++;
            System.out.println(msg + " ：" + count);
        }
    }
}

　　运行后会发现，add方法的输出结果出现问题。add01、add02、add03方法的输出结果正常。

　　首先count++是非原子的操作，在JVM字节码中的执行过程如下：

  

 　下面来看看，Synchronized是如何保证原子性的。Synchronized修饰方法，会在对应方法上打上同步标识，ACC_SYNCHRONIZED：

  

 

  

 　　Synchronized修饰代码块，只有获得锁资源的线程可执行monitorenter指令后面的流程；在代码块执行结束或抛出异常时，执行monitorexit指令释放锁资源，以便其他线程争抢锁资源，

　　monitorenter、monitorexit指令保证了同一时间点，只会有一个线程执行同步代码块中的内容。

  

4、Synchronized的优化

　　Synchronized在JDK1.5做了锁消除、锁膨胀的优化，在JDK1.6做了锁升级的优化。

4.1、锁消除

　　在synchronized修饰的代码块中，若不存在操作临界资源的情况，会触发锁消除，即便有synchronized修饰，也不会触发。

4.2、锁膨胀

　　频繁的获取和释放资源，会将锁的范围扩大，减少性能的消耗。

4.3、锁升级

　　Synchronized锁升级是在JDK1.6做的优化，在这之前Synchronized修饰的代码块，若线程未获取到锁，挂起当前线程。在JDK1.6做了锁升级的优化，无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。

5、Synchronized的实现原理

　　Synchronized根据类锁或对象锁实现的。Synchronized修饰static静态方法，使用的是类锁，当前对象的class；Synchronized修饰非static静态方法，使用的是对象锁，当前对象this作为锁。synchronized是基于对象实现的，在JVM中，堆中的对象由对象头、实例数据、对齐填充这三部分构成。

　　MarkWord中标记着四种锁的信息：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。锁信息记录在对象的对象头Mard Word中，详情如下图所示：

锁状态说明：

1、无锁

　　没有线程操作临界资源。

2、偏向锁

　　若当前资源，仅有一个线程在获取和释放锁资源，当该线程操作临界资源，只需判断指向的线程是否为当前线程。若为当前线程，成功获取锁资源；若不是当前线程，那就是出现了锁竞争，通过CAS的方式尝试将　　锁指向当前线程，若获取不到锁资源，触发锁升级，升级成轻量级锁。

3、轻量级锁

　　自旋锁的方式通过CAS的方式获取锁资源，若CAS成功，获取到锁资源；若CAS一直失败，自旋到一定的次数，还没有获取到锁资源，进行锁升级，升级重量级锁。

4、重量级锁

　　拿不到锁资源，挂起当前线程。涉及用户态、内核态的切换，耗性能。