synchronized原理是什么

本篇內(nèi)容介紹了“synchronized原理是什么”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

（一）概述

在多線程的程序執(zhí)行中，有可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程會(huì)同時(shí)訪問一個(gè)共享并且可變資源的情況，這種時(shí)候由于線程的執(zhí)行是不可控的，所以必須采用一些方式來控制該資源的訪問，這種方式就是“加鎖”。

我們把那些可能會(huì)被多個(gè)線程同時(shí)操作的資源稱為臨界資源，加鎖的目的就是讓這些臨界資源在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程可以訪問。

（二）CAS的介紹

CAS：compare and swap，比較且交換。使用CAS操作可以在沒有鎖的情況下完成多線程對一個(gè)值的更新。CAS的具體操作如下：

當(dāng)要更新一個(gè)值時(shí)，先獲取當(dāng)前值E，計(jì)算更新后的結(jié)果值V（先不更新），當(dāng)要去更新這個(gè)值時(shí)，比較此時(shí)這個(gè)值是否還是等于E，如果相等，則將E更新為V，如果不相等，則重新進(jìn)行上面的操作。

以i++操作為例，在沒有鎖的情況下，這個(gè)操作是線程不安全的，假設(shè)i的初始值為0，CAS操作先獲取原值E=0，計(jì)算更新后的值V=1，要更新之前先比較這個(gè)值是否還是等于0，如果等于0則將E更新為1，如果不等于0則說明有線程已經(jīng)更新了，重新獲取E值=1，繼續(xù)執(zhí)行。

ABA問題

CAS操作可能會(huì)出現(xiàn)ABA問題，ABA問題即我們要去比較的這個(gè)值E，經(jīng)過多個(gè)線程的操作后從0變成1又變成了0。此時(shí)雖然E值和更新前相等，但是還是已經(jīng)被更新了。

ABA問題的解決辦法

對E值增加一個(gè)版本號(hào)，每次要獲取數(shù)據(jù)時(shí)將版本號(hào)也獲取，每次更新完數(shù)據(jù)之后將版本號(hào)遞增，這樣就算值相等通過版本號(hào)也能知道是否經(jīng)過修改。

java在很多地方都用到了CAS操作，比如Atomic的一些類：

AtomicInteger i=new AtomicInteger();

進(jìn)入AtomicInteger方法中，可以看到有個(gè)叫Unsafe的類，進(jìn)入這個(gè)類中，可以看到CAS的幾個(gè)操作方法

（三）對象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)布局

要想學(xué)會(huì)synchronized，首先要理解Java對象的內(nèi)存布局，或者稱為內(nèi)存結(jié)構(gòu)。

一個(gè)對象分為對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對其填充。

其中對象頭Header占12個(gè)字節(jié)：Mark Word占8個(gè)字節(jié)，類型指針class pointer占4個(gè)字節(jié)（默認(rèn)經(jīng)過了壓縮，如果不開啟壓縮占8個(gè)字節(jié)）

實(shí)例對象按實(shí)際存儲(chǔ)有不同大小，對象為空時(shí)等于0。

Padding表示對齊，當(dāng)此時(shí)內(nèi)存所占字節(jié)不能被8整除時(shí)補(bǔ)上相應(yīng)字節(jié)數(shù)。

以O(shè)bject o=new Object()為例，我們先導(dǎo)入一個(gè)jol依賴，通過jol可以看到具體的內(nèi)存布局

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

運(yùn)行以下代碼：

public static void main(String[] args) {
    Object o=new Object();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}

觀察結(jié)果，OFFSET表示偏移量的起始點(diǎn)，SIZE表示所占字節(jié)，前兩行是Mark Word一共占8個(gè)字節(jié)，第三行是class pointer占4個(gè)字節(jié)，此時(shí)對象為空，實(shí)例對象等于0，最后padding補(bǔ)齊，一共16個(gè)字節(jié)。

（三）synchronized

synchronized可以保證在同一時(shí)刻，只有一個(gè)線程可以執(zhí)行某個(gè)方法或某個(gè)代碼塊,synchronized把鎖信息存放在對象頭的MarkWord中。

synchronized作用在非靜態(tài)方法上是對方法的加鎖，synchronized作用在靜態(tài)方法上是對當(dāng)前的類加鎖。

在早期的jdk版本中，synchronized是一個(gè)重量級(jí)鎖，保證線程的安全但是效率很低。后來對synchronized進(jìn)行了優(yōu)化，有了一個(gè)鎖升級(jí)的過程：

無鎖態(tài)（new）-->偏向鎖-->輕量級(jí)鎖（自旋鎖）-->重量級(jí)鎖

通過MarkWord中的8個(gè)字節(jié)也就是64位來記錄鎖信息。也有人將自旋鎖稱為無鎖，因?yàn)樽赃x操作并沒有給一個(gè)對象上鎖，這里只要理解意思即可。

3.1 鎖升級(jí)過程詳解：

當(dāng)給一個(gè)對象增加synchronized鎖之后，相當(dāng)于上了一個(gè)偏向鎖。

當(dāng)有一個(gè)線程去請求時(shí)，就把這個(gè)對象MarkWord的ID改為當(dāng)前線程指針I(yè)D（JavaThread），只允許這一個(gè)線程去請求對象。

當(dāng)有其他線程也去請求時(shí)，就把鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖。每個(gè)線程在自己的線程棧中生成LockRecord，用CAS自旋操作將請求對象MarkWordID改為自己的LockRecord，成功的線程請求到了該對象，未成功的對象繼續(xù)自旋。

如果競爭加劇，當(dāng)有線程自旋超過一定次數(shù)時(shí)（在JDK1.6之后，這個(gè)自旋次數(shù)由JVM自己控制），就將輕量級(jí)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖，線程掛起，進(jìn)入等待隊(duì)列，等待操作系統(tǒng)的調(diào)度。

3.2 加鎖的字節(jié)碼實(shí)現(xiàn)

synchronized關(guān)鍵字被編譯成字節(jié)碼之后會(huì)被翻譯成monitorenter和monitorexit兩條指令，進(jìn)入同步代碼塊時(shí)執(zhí)行monitorenter，同步代碼塊執(zhí)行完畢后執(zhí)行monitorexit

（四）鎖消除

在某些情況下，如果JVM認(rèn)為不需要鎖，會(huì)自動(dòng)消除鎖，比如下面這段代碼：

public void add(String a,String b){
    StringBuffer sb=new StringBuffer();
    sb.append(a).append(b);
}

StringBuffer是線程安全的，但是在這個(gè)add方法中stringbuffer是不能共享的資源，因此加鎖只會(huì)徒增性能消耗，JVM就會(huì)消除StringBuffer內(nèi)部的鎖。

（五）鎖粗化

在某些情況下，JVM檢測到一連串的操作都在對同一個(gè)對象不斷加鎖，就會(huì)將這個(gè)鎖加到這一連串操作的外部，比如：

StringBuffer sb=new StringBuffer();
while(i<100){
    sb.append(str);
    i++;
}

上述操作StringBuffer每次添加數(shù)據(jù)都要加鎖和解鎖，連續(xù)100次，這時(shí)候JVM就會(huì)將鎖加到更外層（while）部分。

（六）逃逸分析

首先問一個(gè)經(jīng)?；A(chǔ)的虛擬機(jī)問題，實(shí)例對象存放在虛擬機(jī)的哪個(gè)位置？按以前的回答，示例對象放在堆上，引用放在棧上，示例的元數(shù)據(jù)等存放在方法區(qū)或者元空間。

但這是有前提的，前提是示例對象沒有線程逃逸行為。

JDK1.7開始默認(rèn)開啟了逃逸分析，所謂逃逸分析，就是指如果一個(gè)對象被編譯器發(fā)現(xiàn)只能被一個(gè)線程訪問，那么這個(gè)對象就不需要考慮同步。JVM就對這種對象進(jìn)行優(yōu)化，將堆分配轉(zhuǎn)化為棧分配，歸根結(jié)底就是虛擬機(jī)在編譯過程中對程序的一種優(yōu)化行為。

開啟逃逸分析：- XX:+DoEscapeAnalysis
關(guān)閉逃逸分析： -XX:--DoEscapeAnalysis

“synchronized原理是什么”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！