synchronized的加锁方式与底层原理分析

1.synchronized的三种加锁方式

  • 对于普通同步方法,锁是当前实例对象(对象锁)

    在这种使用方式中,要注意锁是对象的实例,因为要保证多个线程使用的是同一个实例,否则仍然会有问题。

    比如如下代码,因为每个线程的实例是不同的,因为他们获取的都不是同一把锁

public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public synchronized  void  m1(){
        for(int i=0;i<10000;i++){
            num++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});
        Thread t2 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});
        Thread t3 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

要想执行结果正确,就必须保证多个线程的实例是相同的,如下所示:

public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public synchronized  void  m1(){
        for(int i=0;i<10000;i++){
            num++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Demo1 demo1 = new Demo1();
        Thread t1 = new Thread(()->demo1.m1());
        Thread t2 = new Thread(()->demo1.m1());
        Thread t3 = new Thread(()->demo1.m1());


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

  • 对于静态同步方法,锁是当前类Class对象(类锁)
public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public synchronized static void  m1(){
        for(int i=0;i<10000;i++){
            num++;
        }
    }

    public static class T1 extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            Demo1.m1();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        T1 t1 = new T1();
        T1 t2 = new T1();
        T1 t3 = new T1();


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

  • 对于同步方法块,锁是Synchronized括号里配置的对象

      1.括号里的对象是class对象

public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public  void  m1(){
        // class对象锁
        synchronized (Demo1.class){
            for(int i=0;i<10000;i++){
                num++;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread t1 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});
        Thread t2 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});
        Thread t3 = new Thread(()->{Demo1 demo1 = new Demo1();demo1.m1();});


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

      2. 括号里的对象是当前实例

public class Demo1 {
    static int num = 0;

    public  void  m1(){
        // class对象锁
        synchronized (this){
            for(int i=0;i<10000;i++){
                num++;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Demo1 demo1 = new Demo1();

        Thread t1 = new Thread(()->demo1.m1());
        Thread t2 = new Thread(()->demo1.m1());
        Thread t3 = new Thread(()->demo1.m1());


        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();

        System.out.println(num);

    }
}

2.synchronized的实现原理

      从JVM规范中可以看到Synchonized在JVM里的实现原理,JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorentermonitorexit指令实现的,而方法同步是使用另外一种方式实现的,细节在JVM规范里并没有详细说明。但是,方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。

      monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置,而monitorexit是插入到方法结束处和异常处JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联,当且一个monitor被持有后,它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时,将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权,即尝试获得对象的锁。

3.java对象头

      在JVM中,对象在内存中的布局分为三块区域:对象头实例数据对齐填充。如下:

  • 实例变量:存放类的属性数据信息,包括父类的属性信息,如果是数组的实例部分还包括数组的长度,这部分内存按4字节对齐。
  • 填充数据:由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的,仅仅是为了字节对齐,这点了解即可。
  • 对象头:synchronized用的锁是存在Java对象头里的。如果对象是数组类型,则虚拟机用3个字宽(Word)存储对象头,如果对象是非数组类型,则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中,1字宽等于4字节,即32bit

      Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如表图所示:

      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。Mark Word可能变化为存储以下4种数据

      在64位虚拟机下,Mark Word是64bit大小的,其存储结构如下图所示:

4.锁的三种状态

1.偏向锁

      HotSpot的作者经过研究发现,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而引入了偏向锁。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

2.轻量级锁

      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。

3.重量级锁

      内置锁在Java中被抽象为监视器锁(monitor)。在JDK 1.6之前,监视器锁可以认为直接对应底层操作系统中的互斥量(mutex)。这种同步方式的成本非常高,包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。因此,后来称这种锁为“重量级锁”。

锁的优缺点的对比:

5.synchronized的可重入性

      从互斥锁的设计上来说,当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时,将会处于阻塞状态,但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时,这种情况属于重入锁,请求将会成功, 在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制,是可重入的,因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法,也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁,是允许的,这就是synchronized的可重入性。如下:

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    static int j=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){

            //this,当前实例对象锁
            synchronized(this){
                i++;
                increase();//synchronized的可重入性
            }
        }
    }

    public synchronized void increase(){
        j++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

      正如代码所演示的,在获取当前实例对象锁后进入synchronized代码块执行同步代码,并在代码块中调用了当前实例对象的另外一个synchronized方法,再次请求当前实例锁时,将被允许,进而执行方法体代码,这就是重入锁最直接的体现,需要特别注意另外一种情况,当子类继承父类时,子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor实现的,因此每次重入,monitor中的计数器仍会加1

6.synchronized与等待唤醒机制

      所谓等待唤醒机制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法,在使用这3个方法时,必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中,否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常,这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象,也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象,在前面的分析中,我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针),而synchronized关键字可以获取 monitor ,这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。

synchronized (obj) {
       obj.wait();
       obj.notify();
       obj.notifyAll();         
 }

      需要特别理解的一点是,与sleep方法不同的是wait方法调用完成后,线程将被暂停,但wait方法将会释放当前持有的监视器锁(monitor),直到有线程调用notify/notifyAll方法后方能继续执行,而sleep方法只让线程休眠并不释放锁。同时notify/notifyAll方法调用后,并不会马上释放监视器锁,而是在相应的synchronized(){}/synchronized方法执行结束后才自动释放锁。

7.synchronized与中断机制

      事实上线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用,也就是对于synchronized来说,如果一个线程在等待锁,那么结果只有两种,要么它获得这把锁继续执行,要么它就保存等待,即使调用中断线程的方法,也不会生效。演示代码如下:

public class SynchronizedBlocked implements Runnable{

    public synchronized void f() {
        System.out.println("Trying to call f()");
        while(true) // Never releases lock
            Thread.yield();
    }

    /**
     * 在构造器中创建新线程并启动获取对象锁
     */
    public SynchronizedBlocked() {
        //该线程已持有当前实例锁
        new Thread() {
            public void run() {
                f(); // Lock acquired by this thread
            }
        }.start();
    }
    public void run() {
        //中断判断
        while (true) {
            if (Thread.interrupted()) {
                System.out.println("中断线程!!");
                break;
            } else {
                f();
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedBlocked sync = new SynchronizedBlocked();
        Thread t = new Thread(sync);
        //启动后调用f()方法,无法获取当前实例锁处于等待状态
        t.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //中断线程,无法生效
        t.interrupt();
    }
}

以上内容为自己学习时所记录的笔记,主要来源于以下资料:
1.java并发编程的艺术
2.http://www.itsoku.com/article/168

posted @ 2019-10-12 09:45  折花载酒少年事  阅读(4879)  评论(0编辑  收藏  举报