Java中怎么利用synchronized實(shí)現(xiàn)多線程鎖

這篇文章給大家介紹Java中怎么利用synchronized實(shí)現(xiàn)多線程鎖，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

synchronized的四種使用方式

1. 修飾代碼塊：被修飾的代碼塊稱為同步語句塊，其作用的范圍是大括號(hào){}括起來的代碼，作用于調(diào)用對象

2. 修飾方法：被修飾的方法稱為同步方法，其作用的范圍是整個(gè)方法，作用于調(diào)用對象 > 注意：synchronized修飾方法時(shí)必須是顯式調(diào)用，如果沒有顯式調(diào)用，例如子類重寫該方法時(shí)沒有顯式加上synchronized，則不會(huì)有加鎖效果。

3. 修飾靜態(tài)方法：其作用的范圍是整個(gè)靜態(tài)方法，作用于所有對象

4. 修飾類：其作用的范圍是synchronized后面括號(hào)括起來的部分（例如：test.class），作用于所有對象

對象鎖和類鎖是否會(huì)互相影響么？

• 對象鎖：Java的所有對象都含有1個(gè)互斥鎖，這個(gè)鎖由JVM自動(dòng)獲取和釋放。線程進(jìn)入synchronized方法的時(shí)候獲取該對象的鎖，當(dāng)然如果已經(jīng)有線程獲取了這個(gè)對象的鎖，那么當(dāng)前線程會(huì)等待；synchronized方法正常返回或者拋異常而終止，JVM會(huì)自動(dòng)釋放對象鎖。這里也體現(xiàn)了用synchronized來加鎖的1個(gè)好處，方法拋異常的時(shí)候，鎖仍然可以由JVM來自動(dòng)釋放。

• 類鎖：對象鎖是用來控制實(shí)例方法之間的同步，類鎖是用來控制靜態(tài)方法（或靜態(tài)變量互斥體）之間的同步。其實(shí)類鎖只是一個(gè)概念上的東西，并不是真實(shí)存在的，它只是用來幫助我們理解鎖定實(shí)例方法和靜態(tài)方法的區(qū)別的。java類可能會(huì)有很多個(gè)對象，但是只有1個(gè)Class對象，也就是說類的不同實(shí)例之間共享該類的Class對象。Class對象其實(shí)也僅僅是1個(gè)java對象，只不過有點(diǎn)特殊而已。由于每個(gè)java對象都有1個(gè)互斥鎖，而類的靜態(tài)方法是需要Class對象。所以所謂的類鎖，不過是Class對象的鎖而已。

類鎖和對象鎖不是同1個(gè)東西，一個(gè)是類的Class對象的鎖，一個(gè)是類的實(shí)例的鎖。也就是說：1個(gè)線程訪問靜態(tài)synchronized的時(shí)候，允許另一個(gè)線程訪問對象的實(shí)例synchronized方法。反過來也是成立的，因?yàn)樗麄冃枰逆i是不同的。

對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)代碼如下：

@Slf4j
public class SynchronizedExample {

    // 修飾一個(gè)代碼塊
    public void test1(int j) {
        synchronized (this) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                log.info("test1 {} - {}", j, i);
            }
        }
    }

    // 修飾一個(gè)方法
    public synchronized void test2(int j) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            log.info("test2 {} - {}", j, i);
        }
    }

    // 修飾一個(gè)類
    public static void test3(int j) {
        synchronized (SynchronizedExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                log.info("test3 {} - {}", j, i);
            }
        }
    }

    // 修飾一個(gè)靜態(tài)方法
    public static synchronized void test4(int j) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            log.info("test4 {} - {}", j, i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample example1 = new SynchronizedExample();
        SynchronizedExample example2 = new SynchronizedExample();
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        executorService.execute(() -> {
            example1.test2(1);
        });
        executorService.execute(() -> {
            example2.test2(2);
        });
    }
}

在JDK1.6之前，synchronized一直被稱呼為重量級(jí)鎖（重量級(jí)鎖就是采用互斥量來控制對資源的訪問）。通過反編譯成字節(jié)碼指令可以看到，synchronized會(huì)在同步塊的前后分別形成monitorenter和monitorexit這兩個(gè)字節(jié)碼指令。根據(jù)虛擬機(jī)規(guī)范的要求，在執(zhí)行monitorenter指令時(shí)，首先要嘗試獲取對象的鎖。如果這個(gè)對象沒被鎖定，或者當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了那個(gè)對象的鎖，把鎖的計(jì)數(shù)器加1，相應(yīng)的，在執(zhí)行monitorexit指令時(shí)會(huì)將鎖計(jì)算器減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)，鎖就被釋放，然后notify通知所有等待的線程。 Java的線程是映射到操作系統(tǒng)的原生線程上的，如果要阻塞或喚醒一個(gè)線程，都需要操作系統(tǒng)來幫忙完成，這就需要用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)切換，大量的狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要耗費(fèi)很多處理器的時(shí)間。

synchronized的優(yōu)化

在JDK1.6中對鎖的實(shí)現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化：

1. 鎖粗化（Lock Coarsening）：將多個(gè)連續(xù)的鎖擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖，用以減少頻繁互斥同步導(dǎo)致的性能損耗。

2. 鎖消除（Lock Elimination）：JVM即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)，通過逃逸分析，如果判斷一段代碼中，堆上的所有數(shù)據(jù)不會(huì)逃逸出去從來被其他線程訪問到，就可以去除這個(gè)鎖。

3. 偏向鎖（Biased Locking）：目的是消除數(shù)據(jù)無競爭情況下的同步原語。使用CAS記錄獲取它的線程。下一次同一個(gè)線程進(jìn)入則偏向該線程，無需任何同步操作。

4. 適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）：為了避免線程頻繁掛起、恢復(fù)的狀態(tài)切換消耗。線程會(huì)進(jìn)入自旋狀態(tài)。JDK1.6引入了自適應(yīng)自旋。自旋時(shí)間根據(jù)之前鎖自旋時(shí)間和線程狀態(tài)，動(dòng)態(tài)變化，可以能減少自旋的時(shí)間。

5. 輕量級(jí)鎖（Lightweight Locking）：在沒有多線程競爭的情況下避免重量級(jí)互斥鎖，只需要依靠一條CAS原子指令就可以完成鎖的獲取及釋放。

在JDK1.6之后，synchronized不再是重量級(jí)鎖，鎖的狀態(tài)變成以下四種狀態(tài)：
無鎖->偏向鎖->輕量級(jí)鎖->重量級(jí)鎖

鎖的狀態(tài)

自適應(yīng)自旋鎖

大部分時(shí)候，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短的一段時(shí)間，為了這段時(shí)間去掛起和恢復(fù)線程并不值得。如果能讓兩個(gè)或以上的線程同時(shí)并行執(zhí)行，我們就可以讓后面請求鎖的那個(gè)線程“稍等一下”，但不放棄處理器的執(zhí)行時(shí)間，看看持有鎖的線程是否很快就會(huì)釋放鎖。這項(xiàng)技術(shù)就是所謂的自旋鎖。
自旋等待的時(shí)間必須要有一定的限度，如果自旋超過了限定的次數(shù)仍然沒有獲取到鎖，則該線程應(yīng)該被掛起。在JDK1.6中引入了自適應(yīng)的自旋鎖，自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再固定，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定。

> 所謂自旋，不是獲取不到就阻塞，而是在原地等待一會(huì)兒，再次嘗試（當(dāng)然次數(shù)或者時(shí)長有限），他是以犧牲CPU為代價(jià)來換取內(nèi)核狀態(tài)切換帶來的開銷。借助于適應(yīng)性自旋，可以在CPU時(shí)間片的損耗和內(nèi)核狀態(tài)的切換開銷之間相對的找到一個(gè)平衡，進(jìn)而能夠提高性能

偏向鎖

大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。當(dāng)一個(gè)線程訪問同步塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對象頭的鎖記錄里存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要進(jìn)行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下對象頭的MarkWord里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。如果測試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖。如果測試失敗，則需要再測試一下MarkWord中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1（表示當(dāng)前是偏向鎖）：如果沒有設(shè)置，則使用CAS競爭鎖；如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程，如果失敗則進(jìn)行輕量鎖的升級(jí)。

輕量級(jí)鎖

如果說偏向鎖是只允許一個(gè)線程獲得鎖，那么輕量級(jí)鎖就是允許多個(gè)線程獲得鎖，但是只允許他們順序拿鎖，不允許出現(xiàn)競爭，也就是拿鎖失敗的情況，輕量級(jí)鎖的步驟如下：

1. 線程1在執(zhí)行同步代碼塊之前，JVM會(huì)先在當(dāng)前線程的棧幀中創(chuàng)建一個(gè)空間用來存儲(chǔ)鎖記錄，然后再把對象頭中的MarkWord復(fù)制到該鎖記錄中，官方稱之為DisplacedMarkWord。然后線程嘗試使用CAS將對象頭中的MarkWord替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，則獲得鎖，進(jìn)入步驟3）。如果失敗執(zhí)行步驟2）

2. 線程自旋，自旋成功則獲得鎖，進(jìn)入步驟3）。自旋失敗，則膨脹成為重量級(jí)鎖，并把鎖標(biāo)志位變?yōu)?0，線程阻塞進(jìn)入步驟3）

3. 鎖的持有線程執(zhí)行同步代碼，執(zhí)行完CAS替換MarkWord成功釋放鎖，如果CAS成功則流程結(jié)束，CAS失敗執(zhí)行步驟4）

4. CAS執(zhí)行失敗說明期間有線程嘗試獲得鎖并自旋失敗，輕量級(jí)鎖升級(jí)為了重量級(jí)鎖，此時(shí)釋放鎖之后，還要喚醒等待的線程

重量級(jí)鎖

自旋的線程在自旋過程中，成功獲得資源(即之前獲的資源的線程執(zhí)行完成并釋放了共享資源)，則整個(gè)狀態(tài)依然處于輕量級(jí)鎖的狀態(tài)，如果自旋失敗則進(jìn)入重量級(jí)鎖的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候，自旋的線程進(jìn)行阻塞，等待之前線程執(zhí)行完成并喚醒自己，需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)實(shí)現(xiàn)。（當(dāng)競爭競爭激烈時(shí)，線程直接進(jìn)入阻塞狀態(tài)。不過在高版本的JVM中不會(huì)立刻進(jìn)入阻塞狀態(tài)而是會(huì)自旋一小會(huì)兒看是否能獲取鎖如果不能則進(jìn)入阻塞狀態(tài)。）

總結(jié)

可以簡單總結(jié)是如下場景：

1. 只有一個(gè)線程進(jìn)入加鎖區(qū)，鎖狀態(tài)是偏向鎖

2. 多個(gè)線程交替進(jìn)入加鎖區(qū)，鎖狀態(tài)可能是輕量級(jí)鎖

3. 多線程同時(shí)進(jìn)入加鎖區(qū)，鎖狀態(tài)可能是重量級(jí)鎖

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