深入講解Java?synchronized的核心原理
前言
在此之前先有幾個(gè)面試題，看大家能答對(duì)幾題
1.1: 標(biāo)準(zhǔn)訪問ab二個(gè)線程，是先打印t1還是t2
public class SyncUnit {
public synchronized void t1() {
System.out.println("t1");
}
public synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit.t2();
}).start();
}
}1.2: t1方法暫停3秒鐘，是先打印t1還是t2
public class SyncUnit {
public synchronized void t1(){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1");
}
public synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit.t2();
}).start();
}1.3: 新增一個(gè)普通方法hello(),是先打印t1還是hello
public class SyncUnit {
public synchronized void t1(){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1");
}
public synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public void hello() {
System.out.println("hello");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit.hello();
}).start();
}
}1.4: 現(xiàn)在有二個(gè)SyncUnit對(duì)象，是先打印t1還是t2
public class SyncUnit {
public synchronized void t1(){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1");
}
public synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
SyncUnit syncUnit1 = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit1.t2();
}).start();
}1.5: 二個(gè)靜態(tài)同步方法，一個(gè)SuncUnit對(duì)象，是先打印t1還是t2
public class SyncUnit {
public static synchronized void t1(){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1");
}
public static synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit.t2();
}).start();
}
}1.6: 二個(gè)靜態(tài)同步方法，二個(gè)SyncUnit對(duì)象，是先打印t1還是t2
public class SyncUnit {
public static synchronized void t1(){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1");
}
public static synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
SyncUnit syncUnit1 = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit1.t2();
}).start();
}
}1.7: 一個(gè)靜態(tài)同步方法，普通同步方法，一個(gè)SyncUnit對(duì)象，是先打印t1還是t2
public class SyncUnit {
public static synchronized void t1(){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1");
}
public synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit.t2();
}).start();
}
}1.8 一個(gè)靜態(tài)同步方法，普通同步方法，二個(gè)SyncUnit對(duì)象，是先打印t1還是t2
public class SyncUnit {
public static synchronized void t1(){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1");
}
public synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
SyncUnit syncUnit1 = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit1.t2();
}).start();
}
}synchronized用法
synchronized是java提供的一種解決多線程并發(fā)安全的一種內(nèi)置鎖，盡管在jdk1.5之前還被大家吐槽性能問題，但是在1.5之后對(duì)synchronized不斷的優(yōu)化，在單機(jī)程序中，當(dāng)設(shè)計(jì)多線程并發(fā)問題時(shí)，我們完全可以使用synchronized解決
同步實(shí)例方法
public synchronized void method() {
//方法邏輯
}當(dāng)synchronized修飾的是一個(gè)普通方法的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)this對(duì)象加鎖，一個(gè)實(shí)例是可以創(chuàng)建多個(gè)對(duì)象的，所以可以擁有多把鎖，就比如下面這個(gè)例子，我們創(chuàng)建了二個(gè)對(duì)象，那就是二把不同的鎖，所以在調(diào)用t1()的時(shí)候，t2()方法由于是不同的鎖，所以會(huì)直接執(zhí)行方法
public class SyncUnit {
public synchronized void t1(){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1");
}
public synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
SyncUnit syncUnit1 = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit1.t2();
}).start();
}
}同步靜態(tài)方法
public static synchronized void method() {
//方法邏輯
}當(dāng)synchronized修飾的是一個(gè)靜態(tài)方法的時(shí)候，相當(dāng)于對(duì)當(dāng)前實(shí)例加鎖，一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，所以無論你創(chuàng)建多少個(gè)對(duì)象，都只有一把鎖，比如下面這個(gè)例子，雖然創(chuàng)建了二個(gè)不同的對(duì)象，但是實(shí)際只有一把鎖，所以是先打印t1(),然后在打印t2(),因?yàn)閠2()要等待t1()把鎖釋放掉之后才能獲取到鎖
public class SyncUnit {
public static synchronized void t1(){
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("t1");
}
public static synchronized void t2() {
System.out.println("t2");
}
public static void main(String[] args) throws Exception{
SyncUnit syncUnit = new SyncUnit();
SyncUnit syncUnit1 = new SyncUnit();
new Thread(() -> {
syncUnit.t1();
}).start();
Thread.sleep(100);
new Thread(() -> {
syncUnit1.t2();
}).start();
}
}代碼塊
public Object object = new Object();
public void method() {
synchronized(object) {
//方法邏輯
}
}這時(shí)候的object是一個(gè)對(duì)象，就相當(dāng)于在普通方法上添加synchronized，如果是不同的對(duì)象，那么就是不同的鎖
public void method() {
synchronized(Test.class) {
//方法邏輯
}
}這時(shí)候就相當(dāng)于在靜態(tài)方法上添加synchronized，也就是對(duì)當(dāng)前實(shí)例加鎖，一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例
synchronized核心原理
synchornized是基于JVM中的Monitor鎖實(shí)現(xiàn)的，Java1.5版本之前的synchornized鎖性能較低，但是從1.6版本之后，對(duì)synchornized進(jìn)行了大量的優(yōu)化，引入了鎖粗化，鎖消除，偏向鎖，輕量級(jí)鎖，適應(yīng)性自旋等技術(shù)來提升synchornized的性能
1.synchornized修飾的是方法
當(dāng)synchornized修飾的是方法的時(shí)候，當(dāng)前方法會(huì)比普通方法多一個(gè)ACC_SYNCHRONIZED的標(biāo)識(shí)符
當(dāng)JVM執(zhí)行程序的時(shí)候，會(huì)判斷這個(gè)方法是否有ACC_SYNCHRONIZED這個(gè)標(biāo)識(shí)符，如果有，則當(dāng)前線程優(yōu)先獲取Monitor對(duì)象，同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)線程獲取到，在當(dāng)前線程釋放Monitor對(duì)象之前，其它線程無法獲取到同一個(gè)Monitor對(duì)象，從而保證了同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程進(jìn)入到被synchornized修飾的方法
2.synchornized修飾的是代碼塊
當(dāng)synchornized修飾的是代碼塊的時(shí)候，synchornized關(guān)鍵字會(huì)被編譯成monitorenter和monitorexit，使得同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程進(jìn)入到同步代碼塊中，但是這里為什么會(huì)有二個(gè)monitorexit，是因?yàn)槌绦蛘Ｍ顺龅臅r(shí)候需要釋放鎖，在程序異常的時(shí)候也要釋放鎖，所以會(huì)對(duì)應(yīng)二個(gè)
無論synchornized修飾的是方法還是代碼塊，底層都是通過JVM調(diào)用操作系統(tǒng)的Mutes鎖實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)線程被阻塞時(shí)會(huì)被掛起，等待CPU重新調(diào)度，這會(huì)導(dǎo)致線程在操作系統(tǒng)的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間切換，影響性能
Monitor鎖原理
synchornized低成是基于Monitor鎖來實(shí)現(xiàn)的，而Monitor鎖是基于操作系統(tǒng)的Mutex鎖實(shí)現(xiàn)的，Mutex鎖是操作系統(tǒng)級(jí)別的重量級(jí)鎖，所以性能較低
在Java中，創(chuàng)建的任何一個(gè)對(duì)象在JVM中都會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)Monitor對(duì)象，所以說任何一個(gè)對(duì)象都可以成為鎖。
在HotSpot JVM中，Monitor是由ObjectMoitor實(shí)現(xiàn)的，在ObjectMonitor對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，有幾個(gè)重要的屬性
- _WaitSet：是一個(gè)集合，當(dāng)線程獲到鎖之后，但是還沒有完成業(yè)務(wù)邏輯，也還沒釋放鎖，這時(shí)候調(diào)用了Object類的wait()方法，這時(shí)候這個(gè)線程就會(huì)進(jìn)入_WaitSet這個(gè)集合中等待被喚醒，也就是執(zhí)行nitify()或者notifyAll()方法喚醒
- _EntryList：是一個(gè)集合，當(dāng)有多個(gè)線程來獲取鎖，這時(shí)候只有一個(gè)線程能成功拿到鎖，剩下那些沒有拿到鎖的線程就會(huì)進(jìn)入_EntryList集合中，等待下次搶鎖
- _Owner：當(dāng)一個(gè)線程獲取到鎖之后，就會(huì)將該值設(shè)置成當(dāng)前線程，釋放鎖之后，這個(gè)值就會(huì)重新被設(shè)置成null
- _count：當(dāng)一個(gè)線程獲取到鎖之后，_count的值就會(huì)+1，釋放鎖之后就會(huì)-1，只有當(dāng)減到0之后，才算真正的釋放掉鎖了，其它線程才能來獲取這把鎖，synchornized可重入鎖也是基于這個(gè)值來實(shí)現(xiàn)的
所以當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問被synchornized修飾的方法或者代碼塊時(shí)候，synchornized加鎖和釋放鎖的底層實(shí)現(xiàn)流程大致為：
- 1:進(jìn)入_EntryList集合，當(dāng)某個(gè)線程獲取到鎖之后，這個(gè)線程就會(huì)進(jìn)入_Owner區(qū)域，就會(huì)將Monitor對(duì)象的_owner變量復(fù)制為當(dāng)前線程。并把_count值+1
- 2:當(dāng)線程調(diào)用wait()方法時(shí)，當(dāng)前線程會(huì)釋放掉持有的Monitor對(duì)象，并把_owner賦值成null，_count的值-1，同時(shí)這個(gè)線程就會(huì)進(jìn)入_WaitSet集合等到被喚醒
- 3:如果獲取到鎖的線程執(zhí)行完畢，也會(huì)釋放Monitor鎖。，_owner被置為null,_count被置為0
偏向鎖
雖然在程序的方法中或代碼塊中添加了synchornized，但是在大部分的情況下，不會(huì)存在多線程競爭這種情況，并且會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)線程多次獲取同一把鎖的現(xiàn)象，為了提升這種情況下程序的性能，引入了偏向鎖
輕量級(jí)鎖
當(dāng)多線程競爭鎖不激烈時(shí)，可以通過CAS機(jī)制競爭鎖，這就是輕量級(jí)鎖，引入輕量級(jí)鎖的目的是在多線程競爭鎖不激烈時(shí)，避免由于使用操作系統(tǒng)層面的Mutex重量級(jí)鎖導(dǎo)致性能低下
重量級(jí)鎖
重量級(jí)鎖主要是基于操作系統(tǒng)的Mutex鎖實(shí)現(xiàn)，重量級(jí)鎖的執(zhí)行效率較低，處于重量級(jí)鎖時(shí)被阻塞的線程不會(huì)消耗CPU資源
鎖升級(jí)過程
多個(gè)線程在爭搶synchornized鎖時(shí)，在某些情況下，會(huì)由無鎖狀態(tài)一步步升級(jí)為最終的重量級(jí)鎖，整個(gè)升級(jí)過程大致包括如下幾個(gè)步驟
- 1：線程在競爭synchornized時(shí)，JVM首先會(huì)檢查鎖對(duì)象的Mark Word中偏向鎖的標(biāo)記位是否為1，鎖標(biāo)記位是否為01，如果二個(gè)條件都滿足，則當(dāng)前鎖處于偏向鎖狀態(tài)
- 2：爭搶synchornized鎖線程檢查鎖對(duì)象的Mark Work中存儲(chǔ)的線程ID是否是自己的，如果是自己的線程ID，則表示處于偏向鎖狀態(tài)，當(dāng)前線程可以直接進(jìn)入方法或者代碼塊
- 3：如果鎖對(duì)象的Mark Word的線程ID不是自己的線程ID，那么就會(huì)通過CAS方式來競爭鎖資源，如果獲取到鎖資源了，就將Mark Word中存儲(chǔ)的線程ID修改成自己的線程ID，將偏向鎖的標(biāo)記設(shè)置成1，鎖標(biāo)記位置設(shè)置成01，當(dāng)前鎖處于偏向鎖狀態(tài)
- 4：如果當(dāng)前線程通過CAS沒有獲取到鎖資源，則說明有其它線程也在爭搶資源，此時(shí)會(huì)撤銷偏向鎖，升級(jí)為輕量級(jí)鎖，并將Mark Word的鎖標(biāo)記為都清空
- 5：當(dāng)前線程與其它線程還是會(huì)通過CAS方式來競爭資源，如果某個(gè)線程成功獲取到資源，就會(huì)將鎖對(duì)象的Mark Word中的鎖標(biāo)志位設(shè)置成00，此時(shí)進(jìn)入輕量級(jí)鎖狀態(tài)
- 6：競爭失敗的線程還是會(huì)通過CAS方式來獲取鎖，但是當(dāng)CAS達(dá)到一定的次數(shù)以后，就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖了
以上就是深入講解Java synchronized的核心原理的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java synchronized的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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