Synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法,也是最简单的一种方法。Synchronized的作用主要有三个:(1)确保线程互斥的访问同步代码(2)保证共享变量的修改能够及时可见(3)有效解决重排序问题。
Java中每一个对象都可以作为锁,这是synchronized实现同步的基础:
1、普通同步方法,锁是当前实例对象
public class SynchronizedTest { 4 public synchronized void method1(){ 5 System.out.println("Method 1 start"); 6 try { 7 System.out.println("Method 1 execute"); 8 Thread.sleep(3000); 9 } catch (InterruptedException e) { 10 e.printStackTrace(); 11 } 12 System.out.println("Method 1 end"); 13 } 14 15 public synchronized void method2(){ 16 System.out.println("Method 2 start"); 17 try { 18 System.out.println("Method 2 execute"); 19 Thread.sleep(1000); 20 } catch (InterruptedException e) { 21 e.printStackTrace(); 22 } 23 System.out.println("Method 2 end"); 24 } 25 26 public static void main(String[] args) { 27 final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest(); 28 29 new Thread(new Runnable() { 30 @Override 31 public void run() { 32 test.method1(); 33 } 34 }).start(); 35 36 new Thread(new Runnable() { 37 @Override 38 public void run() { 39 test.method2(); 40 } 41 }).start(); 42 } 43 }
2、静态同步方法,锁是当前类的class对象
public class SynchronizedTest { 4 public static synchronized void method1(){ 5 System.out.println("Method 1 start"); 6 try { 7 System.out.println("Method 1 execute"); 8 Thread.sleep(3000); 9 } catch (InterruptedException e) { 10 e.printStackTrace(); 11 } 12 System.out.println("Method 1 end"); 13 } 14 15 public static synchronized void method2(){ 16 System.out.println("Method 2 start"); 17 try { 18 System.out.println("Method 2 execute"); 19 Thread.sleep(1000); 20 } catch (InterruptedException e) { 21 e.printStackTrace(); 22 } 23 System.out.println("Method 2 end"); 24 } 25 26 public static void main(String[] args) { 27 final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest(); 28 final SynchronizedTest test2 = new SynchronizedTest(); 29 30 new Thread(new Runnable() { 31 @Override 32 public void run() { 33 test.method1(); 34 } 35 }).start(); 36 37 new Thread(new Runnable() { 38 @Override 39 public void run() { 40 test2.method2(); 41 } 42 }).start(); 43 } 44 }
3、同步方法块,锁是括号里面的对象
public class SynchronizedTest { 4 public void method1(){ 5 System.out.println("Method 1 start"); 6 try { 7 synchronized (this) { 8 System.out.println("Method 1 execute"); 9 Thread.sleep(3000); 10 } 11 } catch (InterruptedException e) { 12 e.printStackTrace(); 13 } 14 System.out.println("Method 1 end"); 15 } 16 17 public void method2(){ 18 System.out.println("Method 2 start"); 19 try { 20 synchronized (this) { 21 System.out.println("Method 2 execute"); 22 Thread.sleep(1000); 23 } 24 } catch (InterruptedException e) { 25 e.printStackTrace(); 26 } 27 System.out.println("Method 2 end"); 28 } 29 30 public static void main(String[] args) { 31 final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest(); 32 33 new Thread(new Runnable() { 34 @Override 35 public void run() { 36 test.method1(); 37 } 38 }).start(); 39 40 new Thread(new Runnable() { 41 @Override 42 public void run() { 43 test.method2(); 44 } 45 }).start(); 46 } 47 }
synchronize底层原理:
Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出Monitor对象实现, 无论是显式同步(有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代码块)还是隐式同步都是如此。在 Java 语言中,同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修饰的同步方法。同步方法 并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的,而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法表结构的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的,关于这点,稍后详细分析。
同步代码块:monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置,monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置,JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联,当且一个monitor被持有之后,他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时,将会尝试获取对象所对应的monitor所有权,即尝试获取对象的锁;
在JVM中,对象在内存中的布局分为三块区域:对象头、实例变量和填充数据。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:Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据:Mark Word(标记字段)、Klass Pointer(类型指针)。其中Klass Point是是对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例,Mark Word用于存储对象自身的运行时数据,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。
Mark Word:用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等。Java对象头一般占有两个机器码(在32位虚拟机中,1个机器码等于4字节,也就是32bit),但是如果对象是数组类型,则需要三个机器码,因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是无法从数组的元数据来确认数组的大小,所以用一块来记录数组长度。
Monior:我们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。Monitor 是线程私有的数据结构,每一个线程都有一个可用monitor record列表,同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联(对象头的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址),同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识,表示该锁被这个线程占用。其结构如下:
Owner:初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record,当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识,当锁被释放时又设置为NULL;
EntryQ:关联一个系统互斥锁(semaphore),阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程。
RcThis:表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数。
Nest:用来实现重入锁的计数。
HashCode:保存从对象头拷贝过来的HashCode值(可能还包含GC age)。
Candidate:用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒,因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁,如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程,会引起不必要的上下文切换(从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞)从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。
Java虚拟机对synchronize的优化:
锁的状态总共有四种,无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争,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,关于重量级锁,前面我们已详细分析过,下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段。
偏向锁
偏向锁是Java 6之后加入的新锁,它是一种针对加锁操作的优化手段,经过研究发现,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,因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是,如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式,此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构,当这个线程再次请求锁时,无需再做任何同步操作,即获取锁的过程,这样就省去了大量有关锁申请的操作,从而也就提供程序的性能。所以,对于没有锁竞争的场合,偏向锁有很好的优化效果,毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合,偏向锁就失效了,因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的,因此这种场合下不应该使用偏向锁,否则会得不偿失,需要注意的是,偏向锁失败后,并不会立即膨胀为重量级锁,而是先升级为轻量级锁。
轻量级锁
倘若偏向锁失败,虚拟机并不会立即升级为重量级锁,它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的),此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁,在整个同步周期内都不存在竞争”,注意这是经验数据。需要了解的是,轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合,如果存在同一时间访问同一锁的场合,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。
自旋锁
轻量级锁失败后,虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起,还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下,线程持有锁的时间都不会太长,如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失,毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,因此自旋锁会假设在不久将来,当前的线程可以获得锁,因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因),一般不会太久,可能是50个循环或100循环,在经过若干次循环后,如果得到锁,就顺利进入临界区。如果还不能获得锁,那就会将线程在操作系统层面挂起,这就是自旋锁的优化方式,这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。
锁消除
消除锁是虚拟机另外一种锁的优化,这种优化更彻底,Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译,又称即时编译),通过对运行上下文的扫描,去除不可能存在共享资源竞争的锁,通过这种方式消除没有必要的锁,可以节省毫无意义的请求锁时间,如下StringBuffer的append是一个同步方法,但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量,并且不会被其他线程所使用,因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景,JVM会自动将其锁消除。
/** * Created by zejian on 2017/6/4. * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian * 消除StringBuffer同步锁 */ public class StringBufferRemoveSync { public void add(String str1, String str2) { //StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用 //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁 StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append(str1).append(str2); } public static void main(String[] args) { StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync(); for (int i = 0; i < 10000000; i++) { rmsync.add("abc", "123"); } } }
synchronize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。
线程中断:正如中断二字所表达的意义,在线程运行(run方法)中间打断它,在Java中,提供了以下3个有关线程中断的方法
//中断线程(实例方法) public void Thread.interrupt(); //判断线程是否被中断(实例方法) public boolean Thread.isInterrupted(); //判断是否被中断并清除当前中断状态(静态方法) public static boolean Thread.interrupted();
等待唤醒机制与synchronize: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。
本篇参考资料:http://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483?locationNum=5&fps=1
http://www.cnblogs.com/pureEve/p/6421273.html
http://www.cnblogs.com/paddix/p/5367116.html