synchronized的實現(xiàn)原理以及鎖優(yōu)化方法是什么

本文小編為大家詳細(xì)介紹“synchronized的實現(xiàn)原理以及鎖優(yōu)化方法是什么”，內(nèi)容詳細(xì)，步驟清晰，細(xì)節(jié)處理妥當(dāng)，希望這篇“synchronized的實現(xiàn)原理以及鎖優(yōu)化方法是什么”文章能幫助大家解決疑惑，下面跟著小編的思路慢慢深入，一起來學(xué)習(xí)新知識吧。

1. synchronized的實現(xiàn)原理以及鎖優(yōu)化？

synchronized的實現(xiàn)原理

• synchronized作用于「方法」或者「代碼塊」，保證被修飾的代碼在同一時間只能被一個線程訪問。

• synchronized修飾代碼塊時，JVM采用「monitorenter、monitorexit」兩個指令來實現(xiàn)同步

• synchronized修飾同步方法時，JVM采用「ACC_SYNCHRONIZED」標(biāo)記符來實現(xiàn)同步

• monitorenter、monitorexit或者ACC_SYNCHRONIZED都是「基于Monitor實現(xiàn)」的

• 實例對象里有對象頭，對象頭里面有Mark Word，Mark Word指針指向了「monitor」

• Monitor其實是一種「同步工具」，也可以說是一種「同步機制」。

• 在Java虛擬機（HotSpot）中，Monitor是由「ObjectMonitor實現(xiàn)」的。ObjectMonitor體現(xiàn)出Monitor的工作原理~

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 記錄線程獲取鎖的次數(shù)
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;  //鎖的重入次數(shù)
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  // 指向持有ObjectMonitor對象的線程
    _WaitSet      = NULL;  // 處于wait狀態(tài)的線程，會被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // 處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會被加入到該列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }
復(fù)制代碼

ObjectMonitor的幾個關(guān)鍵屬性 count、recursions、owner、WaitSet、 _EntryList 體現(xiàn)了monitor的工作原理

鎖優(yōu)化

在討論鎖優(yōu)化前，先看看JAVA對象頭(32位JVM)中Mark Word的結(jié)構(gòu)圖吧~

Mark Word存儲對象自身的運行數(shù)據(jù)，如「哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、偏向時間戳（Epoch）」 等，為什么區(qū)分「偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖」等幾種鎖狀態(tài)呢？

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在JDK1.6之前，synchronized的實現(xiàn)直接調(diào)用ObjectMonitor的enter和exit，這種鎖被稱之為「重量級鎖」。從JDK6開始，HotSpot虛擬機開發(fā)團隊對Java中的鎖進(jìn)行優(yōu)化，如增加了適應(yīng)性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等優(yōu)化策略。

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• 偏向鎖：在無競爭的情況下，把整個同步都消除掉，CAS操作都不做。

• 輕量級鎖：在沒有多線程競爭時，相對重量級鎖，減少操作系統(tǒng)互斥量帶來的性能消耗。但是，如果存在鎖競爭，除了互斥量本身開銷，還額外有CAS操作的開銷。

• 自旋鎖：減少不必要的CPU上下文切換。在輕量級鎖升級為重量級鎖時，就使用了自旋加鎖的方式

• 鎖粗化：將多個連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴展成一個范圍更大的鎖。

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舉個例子，買門票進(jìn)動物園。老師帶一群小朋友去參觀，驗票員如果知道他們是個集體，就可以把他們看成一個整體（鎖租化），一次性驗票過，而不需要一個個找他們驗票。

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• 鎖消除:虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭的鎖進(jìn)行消除。

有興趣的朋友們可以看看我這篇文章： Synchronized解析——如果你愿意一層一層剝開我的心[1]

2. ThreadLocal原理，使用注意點，應(yīng)用場景有哪些？

回答四個主要點：

• ThreadLocal是什么?

• ThreadLocal原理

• ThreadLocal使用注意點

• ThreadLocal的應(yīng)用場景

ThreadLocal是什么?

ThreadLocal，即線程本地變量。如果你創(chuàng)建了一個ThreadLocal變量，那么訪問這個變量的每個線程都會有這個變量的一個本地拷貝，多個線程操作這個變量的時候，實際是操作自己本地內(nèi)存里面的變量，從而起到線程隔離的作用，避免了線程安全問題。

//創(chuàng)建一個ThreadLocal變量
static ThreadLocal<String> localVariable = new ThreadLocal<>();
復(fù)制代碼

ThreadLocal原理

ThreadLocal內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖：

由結(jié)構(gòu)圖是可以看出：

• Thread對象中持有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap的成員變量。

• ThreadLocalMap內(nèi)部維護了Entry數(shù)組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。

對照這幾段關(guān)鍵源碼來看，更容易理解一點哈~

public class Thread implements Runnable {
   //ThreadLocal.ThreadLocalMap是Thread的屬性
   ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}
復(fù)制代碼

ThreadLocal中的關(guān)鍵方法set()和get()

   public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread(); //獲取當(dāng)前線程t
        ThreadLocalMap map = getMap(t);  //根據(jù)當(dāng)前線程獲取到ThreadLocalMap
        if (map != null)
            map.set(this, value); //K，V設(shè)置到ThreadLocalMap中
        else
            createMap(t, value); //創(chuàng)建一個新的ThreadLocalMap
    }

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();//獲取當(dāng)前線程t
        ThreadLocalMap map = getMap(t);//根據(jù)當(dāng)前線程獲取到ThreadLocalMap
        if (map != null) {
            //由this（即ThreadLoca對象）得到對應(yīng)的Value，即ThreadLocal的泛型值
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value; 
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }
復(fù)制代碼

ThreadLocalMap的Entry數(shù)組

static class ThreadLocalMap {
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;

        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }
}
復(fù)制代碼

所以怎么回答「ThreadLocal的實現(xiàn)原理」？如下，最好是能結(jié)合以上結(jié)構(gòu)圖一起說明哈~

? Thread類有一個類型為ThreadLocal.ThreadLocalMap的實例變量threadLocals，即每個線程都有一個屬于自己的ThreadLocalMap。ThreadLocalMap內(nèi)部維護著Entry數(shù)組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。每個線程在往ThreadLocal里設(shè)置值的時候，都是往自己的ThreadLocalMap里存，讀也是以某個ThreadLocal作為引用，在自己的map里找對應(yīng)的key，從而實現(xiàn)了線程隔離。 ?

ThreadLocal 內(nèi)存泄露問題

先看看一下的TreadLocal的引用示意圖哈，

ThreadLocalMap中使用的 key 為 ThreadLocal 的弱引用，如下

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弱引用：只要垃圾回收機制一運行，不管JVM的內(nèi)存空間是否充足，都會回收該對象占用的內(nèi)存。

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弱引用比較容易被回收。因此，如果ThreadLocal（ThreadLocalMap的Key）被垃圾回收器回收了，但是因為ThreadLocalMap生命周期和Thread是一樣的，它這時候如果不被回收，就會出現(xiàn)這種情況：ThreadLocalMap的key沒了，value還在，這就會「造成了內(nèi)存泄漏問題」。

如何「解決內(nèi)存泄漏問題」？使用完ThreadLocal后，及時調(diào)用remove()方法釋放內(nèi)存空間。

ThreadLocal的應(yīng)用場景

• 數(shù)據(jù)庫連接池

• 會話管理中使用

3. synchronized和ReentrantLock的區(qū)別？

我記得校招的時候，這道面試題出現(xiàn)的頻率還是挺高的~可以從鎖的實現(xiàn)、功能特點、性能等幾個維度去回答這個問題，

• 「鎖的實現(xiàn)：」 synchronized是Java語言的關(guān)鍵字，基于JVM實現(xiàn)。而ReentrantLock是基于JDK的API層面實現(xiàn)的（一般是lock()和unlock()方法配合try/finally 語句塊來完成。）

• 「性能：」 在JDK1.6鎖優(yōu)化以前，synchronized的性能比ReenTrantLock差很多。但是JDK6開始，增加了適應(yīng)性自旋、鎖消除等，兩者性能就差不多了。

• 「功能特點：」 ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高級功能，如等待可中斷、可實現(xiàn)公平鎖、可實現(xiàn)選擇性通知。

? ReentrantLock提供了一種能夠中斷等待鎖的線程的機制，通過lock.lockInterruptibly()來實現(xiàn)這個機制。ReentrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖。而synchronized只能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的線程先獲得鎖。synchronized與wait()和notify()/notifyAll()方法結(jié)合實現(xiàn)等待/通知機制，ReentrantLock類借助Condition接口與newCondition()方法實現(xiàn)。ReentrantLock需要手工聲明來加鎖和釋放鎖，一般跟finally配合釋放鎖。而synchronized不用手動釋放鎖。 ?

4. 說說CountDownLatch與CyclicBarrier區(qū)別

• CountDownLatch：一個或者多個線程，等待其他多個線程完成某件事情之后才能執(zhí)行;

• CyclicBarrier：多個線程互相等待，直到到達(dá)同一個同步點，再繼續(xù)一起執(zhí)行。

舉個例子吧：

? CountDownLatch：假設(shè)老師跟同學(xué)約定周末在公園門口集合，等人齊了再發(fā)門票。那么，發(fā)門票（這個主線程），需要等各位同學(xué)都到齊（多個其他線程都完成），才能執(zhí)行。CyclicBarrier:多名短跑運動員要開始田徑比賽，只有等所有運動員準(zhǔn)備好，裁判才會鳴槍開始，這時候所有的運動員才會疾步如飛。 ?

5. Fork/Join框架的理解

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Fork/Join框架是Java7提供的一個用于并行執(zhí)行任務(wù)的框架，是一個把大任務(wù)分割成若干個小任務(wù)，最終匯總每個小任務(wù)結(jié)果后得到大任務(wù)結(jié)果的框架。

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Fork/Join框架需要理解兩個點，「分而治之」和「工作竊取算法」。

「分而治之」

以上Fork/Join框架的定義，就是分而治之思想的體現(xiàn)啦

「工作竊取算法」

把大任務(wù)拆分成小任務(wù)，放到不同隊列執(zhí)行，交由不同的線程分別執(zhí)行時。有的線程優(yōu)先把自己負(fù)責(zé)的任務(wù)執(zhí)行完了，其他線程還在慢慢悠悠處理自己的任務(wù)，這時候為了充分提高效率，就需要工作盜竊算法啦~

工作盜竊算法就是，「某個線程從其他隊列中竊取任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行的過程」。一般就是指做得快的線程（盜竊線程）搶慢的線程的任務(wù)來做，同時為了減少鎖競爭，通常使用雙端隊列，即快線程和慢線程各在一端。

6. 為什么我們調(diào)用start()方法時會執(zhí)行run()方法，為什么我們不能直接調(diào)用run()方法？

看看Thread的start方法說明哈~

   /**
     * Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine
     * calls the <code>run</code> method of this thread.
     * <p>
     * The result is that two threads are running concurrently: the
     * current thread (which returns from the call to the
     * <code>start</code> method) and the other thread (which executes its
     * <code>run</code> method).
     * <p>
     * It is never legal to start a thread more than once.
     * In particular, a thread may not be restarted once it has completed
     * execution.
     *
     * @exception  IllegalThreadStateException  if the thread was already
     *               started.
     * @see        #run()
     * @see        #stop()
     */
    public synchronized void start() {
     ......
    }
復(fù)制代碼

JVM執(zhí)行start方法，會另起一條線程執(zhí)行thread的run方法，這才起到多線程的效果~ 「為什么我們不能直接調(diào)用run()方法？」 如果直接調(diào)用Thread的run()方法，其方法還是運行在主線程中，沒有起到多線程效果。

7. CAS？CAS 有什么缺陷，如何解決？

CAS,Compare and Swap，比較并交換；

?

CAS 涉及3個操作數(shù)，內(nèi)存地址值V，預(yù)期原值A(chǔ)，新值B； 如果內(nèi)存位置的值V與預(yù)期原A值相匹配，就更新為新值B，否則不更新

?

CAS有什么缺陷？

「ABA 問題」

?

并發(fā)環(huán)境下，假設(shè)初始條件是A，去修改數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)是A就會執(zhí)行修改。但是看到的雖然是A，中間可能發(fā)生了A變B，B又變回A的情況。此時A已經(jīng)非彼A，數(shù)據(jù)即使成功修改，也可能有問題。

?

可以通過AtomicStampedReference「解決ABA問題」，它，一個帶有標(biāo)記的原子引用類，通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性。

「循環(huán)時間長開銷」

?

自旋CAS，如果一直循環(huán)執(zhí)行，一直不成功，會給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。

?

很多時候，CAS思想體現(xiàn)，是有個自旋次數(shù)的，就是為了避開這個耗時問題~

「只能保證一個變量的原子操作。」

?

CAS 保證的是對一個變量執(zhí)行操作的原子性，如果對多個變量操作時，CAS 目前無法直接保證操作的原子性的。

?

可以通過這兩個方式解決這個問題：

? 使用互斥鎖來保證原子性；將多個變量封裝成對象，通過AtomicReference來保證原子性。 ?

有興趣的朋友可以看看我之前的這篇實戰(zhàn)文章哈~ CAS樂觀鎖解決并發(fā)問題的一次實踐[2]

8. 如何保證多線程下i++ 結(jié)果正確？

• 使用循環(huán)CAS，實現(xiàn)i++原子操作

• 使用鎖機制，實現(xiàn)i++原子操作

• 使用synchronized，實現(xiàn)i++原子操作

沒有代碼demo，感覺是沒有靈魂的~ 如下：

/**
 *  @Author 撿田螺的小男孩
 */
public class AtomicIntegerTest {

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

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

    private static void testIAdd() throws InterruptedException {
        //創(chuàng)建線程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 2; j++) {
                    //自增并返回當(dāng)前值
                    int andIncrement = atomicInteger.incrementAndGet();
                    System.out.println("線程:">運行結(jié)果：...
線程:pool-1-thread-1 count=1997
線程:pool-1-thread-1 count=1998
線程:pool-1-thread-1 count=1999
線程:pool-1-thread-2 count=315
線程:pool-1-thread-2 count=2000
最終結(jié)果是 ：2000

讀到這里，這篇“synchronized的實現(xiàn)原理以及鎖優(yōu)化方法是什么”文章已經(jīng)介紹完畢，想要掌握這篇文章的知識點還需要大家自己動手實踐使用過才能領(lǐng)會，如果想了解更多相關(guān)內(nèi)容的文章，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。