Synchronized详解

sychronized是java多线程非常关键的一个知识点，这篇博客将从synchronized几个用法以及代码来学习。
sychronized的作用是能够保证同一时间只有一个线程来运行这块代码，达到并发效果，如果没有保证并发的话，在多线程编码中就会产生致命问题，比如经典的i++，这也是数据库并发中经典的案例，i++并不是原子操作，分为三步，取数，操作，写数，参考这段代码，可以运行一下看下结果

public class showUnsafe1 implements Runnable{
    static int i=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<10000;j++){
            i++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(new showUnsafe1());
        Thread thread2 = new Thread(new showUnsafe1());
        thread1.start();  // 启动thread1，在合适的时刻运行
        thread2.start();  // 启动thread2，在合适的时刻运行
        thread1.join();   // 让主线程等待thread1运行完
        thread2.join();   // 让主线程等待thread2运行完
        System.out.println(i);
    }
}

一、synchronized四种用法

synchronized为啥这么神奇，无它，加锁而已，不少八股文喜欢分为两种锁，一种是对象锁，一种是类锁，还可以分为方法锁，代码块锁，静态锁，class锁，我们通过代码学习他们如何使用

1.对象锁：方法锁

方法锁是用synchronized修饰的一个类方法，作用方法即是方法作用域，除了这个方法要同步，其余不需要

public class SynchronizedObjectMethod implements Runnable{

    private static SynchronizedObjectMethod instance=new SynchronizedObjectMethod();
    public  synchronized void method(){
        System.out.println("我是对象锁的方法修饰符形式。我叫"+Thread.currentThread().getName());
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"运行结束");
    }
    @Override
    public void run() {
        method();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(instance);
        Thread thread2 = new Thread(instance);
        thread1.start();
        thread2.start();
        while(thread1.isAlive()||thread2.isAlive()){
        }
        System.out.println("finish");
    }
}

2. 对象锁：代码块形式

代码块锁就是常用的同步方法块，synchronized锁住的是它里面的对象，作用域就是synchonized{}里面的代码

public class SynchronizedObjectCodeBlock implements Runnable{
    private static SynchronizedObjectCodeBlock instance=new SynchronizedObjectCodeBlock();
    Object lock1=new Object();
    @Override
    public void run() {
        synchronized (lock1){
            System.out.println("我是对象锁的代码块形式。我叫"+Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"运行结束");
        }

    }

    public static void main(String[] args){
        Thread thread1 = new Thread(instance);
        Thread thread2 = new Thread(instance);
        thread1.start();
        thread2.start();
        while(thread1.isAlive()||thread2.isAlive()){
        }
        System.out.println("finish");
    }
}

3. 类锁：class形式

class形式说的是synchronized()括号里使用的锁是class对象，所谓class对象指得是java文件对应的一个java.lang.class对象，所有该类生成的对象共有这个class对象 类加载机制，所以这个锁锁住了这个类生成的所有对象

public class SynchronizedClassClass implements Runnable{
    private static SynchronizedClassClass instance1=new SynchronizedClassClass();
    private static SynchronizedClassClass instance2=new SynchronizedClassClass();
    public void method(){
        synchronized (SynchronizedClassClass.class){
            System.out.println("我是类锁的形式之一：修饰.class。我叫"+Thread.currentThread().getName());
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"运行结束");
        }
    }
    @Override
    public void run() {
        method();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(instance1);
        Thread thread2 = new Thread(instance2);
        thread1.start();
        thread2.start();
        while(thread1.isAlive()||thread2.isAlive()){
        }
        System.out.println("finish");
    }
}

在这个案例中，存在两个SynchronizedClassClass对象，但是不能同时访问同步代码

4.类锁：static形式

static形式说的是static修饰synchronized修饰的方法，即static synchronized methodName，作用方法还是这个类的class对象

public class SynchronizedClassStatic implements Runnable{
    private static SynchronizedClassStatic instance1=new SynchronizedClassStatic();
    private static SynchronizedClassStatic instance2=new SynchronizedClassStatic();
    public static synchronized void method(){
        System.out.println("我是类锁的形式之一：加static修饰。我叫"+Thread.currentThread().getName());
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"运行结束");
    }
    public void  method2(){
        System.out.println("我是非静态方法,我叫"+Thread.currentThread().getName());
    }
    @Override
    public void run() {
        method();
        method2();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(instance1);
        Thread thread2 = new Thread(instance2);
        thread1.start();
        thread2.start();
        while(thread1.isAlive()||thread2.isAlive()){
        }
        System.out.println("finish");
    }
}

二、synchronized的原理

让我们从字节码来看看synchronized的神秘面纱, 我们反编译synchronized修饰object的java文件

public class Decompilation {
    private Object object=new Object();

    public void insert(Thread thread){
        synchronized (object){

        }
    }
}

反编译指令为 javap -c -v YourName.java

所以就是这个小小的Monitor Enter和monitorexit指令完成了同步操作，关于Monitor Enter和monitorexit的定义可以查看jvm文档 中的注释

先看看 Monitor Enter，注意紫色标注

再看看Monitor Exit

这里就解释清楚为什么synchronized上的锁是可重入的，对于更深入的理解

重点还是提到的Monitor这个概念

我们再反编译synchronize修饰的同步方法，其结果是

与之前不一样，这里是在方法的访问标识上添加了ACC_SYNCHRONIZED，它在jvm文档中是这么解释

大致意思就是当调用设置了 ACC_SYNCHRONIZED 的方法时，执行线程进入监视器（monitor)，然后执行这个方法，方法执行完毕后退出监视器。在执行线程拥有监视器期间，没有其他线程可以进入这个方法.

同样,这里涉及了Monitor

2.1 深入Monitor

虽然HotSpot的JDK代码没有开元，但好在还有OpenJDK,大家有时间可以看看ObjectMonitor.hpp和ObjectMonitor.cpp,如果c语言功力不好的同学，看看注释，大致知道每个变量啥意思即可。

主要是_owner,_recursions,_entryList,_waitSet，此外还有header这个对象头将对象和Monitor联系起来。

_owner顾名思义就是锁的拥有者，recursions就是锁的进入次数，初始为0，而_entryList是存放Blocked状态的线程的，waitSet是存放Waiting状态的线程。

在HotSpot中,一个对象是在Heap中的存储布局有三个部分：对象头(Header)，实例数据(Instance Data)以及对齐填充部分，而对象头一般由两个部分组成：MarkWord和类型指针，如果是数组对象，那么还有数组长度信息。

而MarkWord就是连接Monitor和对象的关键东西。它存储了对象运行时的一些数据，比如HashCode,GC年龄，锁的状态，线程所持有的锁等。

总之，monitor才是synchronized并发的关键，monitor是底层用cpp实现的一个对象，实现了锁的状态转换，获取释放等方法，通过markword与java对象联系一起，而markword是嵌入在java头部的。

三、synchornized的各种锁以及优化

3.1 锁的升级

从jdk1.6开始，synchronized锁有四种状态，级别由低到高是

无锁，偏向锁，轻量锁，重量锁

锁的升级过程是一个很麻烦的事情，本质就是如果发生了锁的竞争就升级锁，直到升级到重量锁为止，期间使用到了CAS和自旋来避免线程直接进入阻塞状态。有兴趣的同学可以看看《阿里巴巴java性能调优实战》这本书。

3.2 JIT 实现锁消除和锁粗化

锁消除的概念比较容易理解，就是如果编译器认定一个锁只会被单个线程访问，那么这个锁就可以被消除。而锁粗化，简单的说就是JIT动态编译时发现相邻的同步块使用的是同一个锁实例，那么就合并他们，避免频繁加锁释放锁。

3.3 减少锁的粒度

这是我们平时编程的时候，我们可以控制的，有的同学（比如我）图省事往往可以加对象锁的，直接加类锁，这样就是不地道的。

《阿里巴巴java性能调优实战》举例说明减少锁的粒度的好处，比如被抛弃的HashTable和新宠ConcurrentHashMap的转换，就是使用了减少锁的粒度方法。