Java編程中synchronized的實現(xiàn)原理

這篇文章主要講解了“Java編程中synchronized的實現(xiàn)原理”，文中的講解內(nèi)容簡單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學(xué)習(xí)“Java編程中synchronized的實現(xiàn)原理”吧！

目錄

• synchronized的三種應(yīng)用方式

• synchronized作用于實例方法

• synchronized作用于靜態(tài)方法

• synchronized同步代碼塊

• synchronized底層語義原理

• 理解Java對象頭與Monitor

• synchronized代碼塊底層原理

• synchronized方法底層原理

• Java虛擬機對synchronized的優(yōu)化

• 偏向鎖

• 輕量級鎖

• 自旋鎖

• 鎖消除

• 關(guān)于synchronized 可能需要了解的關(guān)鍵點

• synchronized的可重入性

• 線程中斷與synchronized

• 線程中斷

• 中斷與synchronized

• 等待喚醒機制與synchronized

synchronized的三種應(yīng)用方式

synchronized關(guān)鍵字最主要有以下3種應(yīng)用方式，下面分別介紹

• 修飾實例方法，作用于當(dāng)前實例加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前實例的鎖

• 修飾靜態(tài)方法，作用于當(dāng)前類對象加鎖，進(jìn)入同步代碼前要獲得當(dāng)前類對象的鎖

• 修飾代碼塊，指定加鎖對象，對給定對象加鎖，進(jìn)入同步代碼庫前要獲得給定對象的鎖。

synchronized作用于實例方法

所謂的實例對象鎖就是用synchronized修飾實例對象中的實例方法，注意是實例方法不包括靜態(tài)方法，如下

public class AccountingSync implements Runnable{
    //共享資源(臨界資源)
    static int i=0;
    /**
     * synchronized 修飾實例方法
     */
    public synchronized void increase(){
        i++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AccountingSync instance=new AccountingSync();
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
    /**
     * 輸出結(jié)果:
     * 2000000
     */
}

上述代碼中，我們開啟兩個線程操作同一個共享資源即變量i，由于i++;操作并不具備原子性，該操作是先讀取值，然后寫回一個新值，相當(dāng)于原來的值加上1，分兩步完成，如果第二個線程在第一個線程讀取舊值和寫回新值期間讀取i的域值，那么第二個線程就會與第一個線程一起看到同一個值，并執(zhí)行相同值的加1操作，這也就造成了線程安全失敗，因此對于increase方法必須使用synchronized修飾，以便保證線程安全。此時我們應(yīng)該注意到synchronized修飾的是實例方法increase，在這樣的情況下，當(dāng)前線程的鎖便是實例對象instance，注意Java中的線程同步鎖可以是任意對象。從代碼執(zhí)行結(jié)果來看確實是正確的，倘若我們沒有使用synchronized關(guān)鍵字，其最終輸出結(jié)果就很可能小于2000000，這便是synchronized關(guān)鍵字的作用。這里我們還需要意識到，當(dāng)一個線程正在訪問一個對象的 synchronized 實例方法，那么其他線程不能訪問該對象的其他 synchronized 方法，畢竟一個對象只有一把鎖，當(dāng)一個線程獲取了該對象的鎖之后，其他線程無法獲取該對象的鎖，所以無法訪問該對象的其他synchronized實例方法，但是其他線程還是可以訪問該實例對象的其他非synchronized方法，當(dāng)然如果是一個線程 A 需要訪問實例對象 obj1 的 synchronized 方法 f1(當(dāng)前對象鎖是obj1)，另一個線程 B 需要訪問實例對象 obj2 的 synchronized 方法 f2(當(dāng)前對象鎖是obj2)，這樣是允許的，因為兩個實例對象鎖并不同相同，此時如果兩個線程操作數(shù)據(jù)并非共享的，線程安全是有保障的，遺憾的是如果兩個線程操作的是共享數(shù)據(jù)，那么線程安全就有可能無法保證了，如下代碼將演示出該現(xiàn)象

public class AccountingSyncBad implements Runnable{
    static int i=0;
    public synchronized void increase(){
        i++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //new新實例
        Thread t1=new Thread(new AccountingSyncBad());
        //new新實例
        Thread t2=new Thread(new AccountingSyncBad());
        t1.start();
        t2.start();
        //join含義:當(dāng)前線程A等待thread線程終止之后才能從thread.join()返回
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

上述代碼與前面不同的是我們同時創(chuàng)建了兩個新實例AccountingSyncBad，然后啟動兩個不同的線程對共享變量i進(jìn)行操作，但很遺憾操作結(jié)果是1452317而不是期望結(jié)果2000000，因為上述代碼犯了嚴(yán)重的錯誤，雖然我們使用synchronized修飾了increase方法，但卻new了兩個不同的實例對象，這也就意味著存在著兩個不同的實例對象鎖，因此t1和t2都會進(jìn)入各自的對象鎖，也就是說t1和t2線程使用的是不同的鎖，因此線程安全是無法保證的。解決這種困境的的方式是將synchronized作用于靜態(tài)的increase方法，這樣的話，對象鎖就當(dāng)前類對象，由于無論創(chuàng)建多少個實例對象，但對于的類對象擁有只有一個，所有在這樣的情況下對象鎖就是唯一的。下面我們看看如何使用將synchronized作用于靜態(tài)的increase方法。

synchronized作用于靜態(tài)方法

當(dāng)synchronized作用于靜態(tài)方法時，其鎖就是當(dāng)前類的class對象鎖。由于靜態(tài)成員不專屬于任何一個實例對象，是類成員，因此通過class對象鎖可以控制靜態(tài) 成員的并發(fā)操作。需要注意的是如果一個線程A調(diào)用一個實例對象的非static synchronized方法，而線程B需要調(diào)用這個實例對象所屬類的靜態(tài) synchronized方法，是允許的，不會發(fā)生互斥現(xiàn)象，因為訪問靜態(tài) synchronized 方法占用的鎖是當(dāng)前類的class對象，而訪問非靜態(tài) synchronized 方法占用的鎖是當(dāng)前實例對象鎖，看如下代碼

public class AccountingSyncClass implements Runnable{
    static int i=0;
    /**
     * 作用于靜態(tài)方法,鎖是當(dāng)前class對象,也就是
     * AccountingSyncClass類對應(yīng)的class對象
     */
    public static synchronized void increase(){
        i++;
    }
    /**
     * 非靜態(tài),訪問時鎖不一樣不會發(fā)生互斥
     */
    public synchronized void increase4Obj(){
        i++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //new新實例
        Thread t1=new Thread(new AccountingSyncClass());
        //new心事了
        Thread t2=new Thread(new AccountingSyncClass());
        //啟動線程
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

由于synchronized關(guān)鍵字修飾的是靜態(tài)increase方法，與修飾實例方法不同的是，其鎖對象是當(dāng)前類的class對象。注意代碼中的increase4Obj方法是實例方法，其對象鎖是當(dāng)前實例對象，如果別的線程調(diào)用該方法，將不會產(chǎn)生互斥現(xiàn)象，畢竟鎖對象不同，但我們應(yīng)該意識到這種情況下可能會發(fā)現(xiàn)線程安全問題(操作了共享靜態(tài)變量i)。

synchronized同步代碼塊

除了使用關(guān)鍵字修飾實例方法和靜態(tài)方法外，還可以使用同步代碼塊，在某些情況下，我們編寫的方法體可能比較大，同時存在一些比較耗時的操作，而需要同步的代碼又只有一小部分，如果直接對整個方法進(jìn)行同步操作，可能會得不償失，此時我們可以使用同步代碼塊的方式對需要同步的代碼進(jìn)行包裹，這樣就無需對整個方法進(jìn)行同步操作了，同步代碼塊的使用示例如下：

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    @Override
    public void run() {
        //省略其他耗時操作....
        //使用同步代碼塊對變量i進(jìn)行同步操作,鎖對象為instance
        synchronized(instance){
            for(int j=0;j<1000000;j++){
                    i++;
              }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

從代碼看出，將synchronized作用于一個給定的實例對象instance，即當(dāng)前實例對象就是鎖對象，每次當(dāng)線程進(jìn)入synchronized包裹的代碼塊時就會要求當(dāng)前線程持有instance實例對象鎖，如果當(dāng)前有其他線程正持有該對象鎖，那么新到的線程就必須等待，這樣也就保證了每次只有一個線程執(zhí)行i++;操作。當(dāng)然除了instance作為對象外，我們還可以使用this對象(代表當(dāng)前實例)或者當(dāng)前類的class對象作為鎖，如下代碼：

//this,當(dāng)前實例對象鎖
synchronized(this){
    for(int j=0;j<1000000;j++){
        i++;
    }
}
//class對象鎖
synchronized(AccountingSync.class){
    for(int j=0;j<1000000;j++){
        i++;
    }
}

了解完synchronized的基本含義及其使用方式后，下面我們將進(jìn)一步深入理解synchronized的底層實現(xiàn)原理。

synchronized底層語義原理

Java 虛擬機中的同步(Synchronization)基于進(jìn)入和退出管程(Monitor)對象實現(xiàn)， 無論是顯式同步(有明確的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代碼塊)還是隱式同步都是如此。在 Java 語言中，同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修飾的同步方法。同步方法 并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令來實現(xiàn)同步的，而是由方法調(diào)用指令讀取運行時常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)志來隱式實現(xiàn)的，關(guān)于這點，稍后詳細(xì)分析。下面先來了解一個概念Java對象頭，這對深入理解synchronized實現(xiàn)原理非常關(guān)鍵。

理解Java對象頭與Monitor

在JVM中，對象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域：對象頭、實例數(shù)據(jù)和對齊填充。如下：

• 實例變量：存放類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息，如果是數(shù)組的實例部分還包括數(shù)組的長度，這部分內(nèi)存按4字節(jié)對齊。

• 填充數(shù)據(jù)：由于虛擬機要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。填充數(shù)據(jù)不是必須存在的，僅僅是為了字節(jié)對齊，這點了解即可。

而對于頂部，則是Java頭對象，它實現(xiàn)synchronized的鎖對象的基礎(chǔ)，這點我們重點分析它，一般而言，synchronized使用的鎖對象是存儲在Java對象頭里的，jvm中采用2個字來存儲對象頭(如果對象是數(shù)組則會分配3個字，多出來的1個字記錄的是數(shù)組長度)，其主要結(jié)構(gòu)是由Mark Word 和 Class Metadata Address 組成，其結(jié)構(gòu)說明如下表：

其中Mark Word在默認(rèn)情況下存儲著對象的HashCode、分代年齡、鎖標(biāo)記位等以下是32位JVM的Mark Word默認(rèn)存儲結(jié)構(gòu)

由于對象頭的信息是與對象自身定義的數(shù)據(jù)沒有關(guān)系的額外存儲成本，因此考慮到JVM的空間效率，Mark Word 被設(shè)計成為一個非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便存儲更多有效的數(shù)據(jù)，它會根據(jù)對象本身的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲空間，如32位JVM下，除了上述列出的Mark Word默認(rèn)存儲結(jié)構(gòu)外，還有如下可能變化的結(jié)構(gòu)：

其中輕量級鎖和偏向鎖是Java 6 對 synchronized 鎖進(jìn)行優(yōu)化后新增加的，稍后我們會簡要分析。這里我們主要分析一下重量級鎖也就是通常說synchronized的對象鎖，鎖標(biāo)識位為10，其中指針指向的是monitor對象（也稱為管程或監(jiān)視器鎖）的起始地址。每個對象都存在著一個 monitor 與之關(guān)聯(lián)，對象與其 monitor 之間的關(guān)系有存在多種實現(xiàn)方式，如monitor可以與對象一起創(chuàng)建銷毀或當(dāng)線程試圖獲取對象鎖時自動生成，但當(dāng)一個 monitor 被某個線程持有后，它便處于鎖定狀態(tài)。在Java虛擬機(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor實現(xiàn)的，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（位于HotSpot虛擬機源碼ObjectMonitor.hpp文件，C++實現(xiàn)的）

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //記錄個數(shù)
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _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 ;
  }

ObjectMonitor中有兩個隊列，_WaitSet 和 _EntryList，用來保存ObjectWaiter對象列表( 每個等待鎖的線程都會被封裝成ObjectWaiter對象)，_owner指向持有ObjectMonitor對象的線程，當(dāng)多個線程同時訪問一段同步代碼時，首先會進(jìn)入 _EntryList 集合，當(dāng)線程獲取到對象的monitor 后進(jìn)入 _Owner 區(qū)域并把monitor中的owner變量設(shè)置為當(dāng)前線程同時monitor中的計數(shù)器count加1，若線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當(dāng)前持有的monitor，owner變量恢復(fù)為null，count自減1，同時該線程進(jìn)入 WaitSe t集合中等待被喚醒。若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放monitor(鎖)并復(fù)位變量的值，以便其他線程進(jìn)入獲取monitor(鎖)。如下圖所示

由此看來，monitor對象存在于每個Java對象的對象頭中(存儲的指針的指向)，synchronized鎖便是通過這種方式獲取鎖的，也是為什么Java中任意對象可以作為鎖的原因，同時也是notify/notifyAll/wait等方法存在于頂級對象Object中的原因(關(guān)于這點稍后還會進(jìn)行分析)，ok~，有了上述知識基礎(chǔ)后，下面我們將進(jìn)一步分析synchronized在字節(jié)碼層面的具體語義實現(xiàn)。

synchronized代碼塊底層原理

現(xiàn)在我們重新定義一個synchronized修飾的同步代碼塊，在代碼塊中操作共享變量i，如下

public class SyncCodeBlock {
   public int i;
   public void syncTask(){
       //同步代碼庫
       synchronized (this){
           i++;
       }
   }
}

編譯上述代碼并使用javap反編譯后得到字節(jié)碼如下(這里我們省略一部分沒有必要的信息)：

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncCodeBlock.class
  Last modified 2017-6-2; size 426 bytes
  MD5 checksum c80bc322c87b312de760942820b4fed5
  Compiled from "SyncCodeBlock.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
  //........省略常量池中數(shù)據(jù)
  //構(gòu)造函數(shù)
  public com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
  //===========主要看看syncTask方法實現(xiàn)================
  public void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter  //注意此處，進(jìn)入同步方法
         4: aload_0
         5: dup
         6: getfield      #2             // Field i:I
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putfield      #2            // Field i:I
        14: aload_1
        15: monitorexit   //注意此處，退出同步方法
        16: goto          24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit //注意此處，退出同步方法
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:
      //省略其他字節(jié)碼.......
}
SourceFile: "SyncCodeBlock.java"

我們主要關(guān)注字節(jié)碼中的如下代碼

3: monitorenter //進(jìn)入同步方法
//..........省略其他
15: monitorexit //退出同步方法
16: goto 24
//省略其他.......
21: monitorexit //退出同步方法

從字節(jié)碼中可知同步語句塊的實現(xiàn)使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令，其中monitorenter指令指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令則指明同步代碼塊的結(jié)束位置，當(dāng)執(zhí)行monitorenter指令時，當(dāng)前線程將試圖獲取 objectref(即對象鎖) 所對應(yīng)的 monitor 的持有權(quán)，當(dāng) objectref 的 monitor 的進(jìn)入計數(shù)器為 0，那線程可以成功取得 monitor，并將計數(shù)器值設(shè)置為 1，取鎖成功。如果當(dāng)前線程已經(jīng)擁有 objectref 的 monitor 的持有權(quán)，那它可以重入這個 monitor (關(guān)于重入性稍后會分析)，重入時計數(shù)器的值也會加 1。倘若其他線程已經(jīng)擁有 objectref 的 monitor 的所有權(quán)，那當(dāng)前線程將被阻塞，直到正在執(zhí)行線程執(zhí)行完畢，即monitorexit指令被執(zhí)行，執(zhí)行線程將釋放 monitor(鎖)并設(shè)置計數(shù)器值為0 ，其他線程將有機會持有 monitor 。值得注意的是編譯器將會確保無論方法通過何種方式完成，方法中調(diào)用過的每條 monitorenter 指令都有執(zhí)行其對應(yīng) monitorexit 指令，而無論這個方法是正常結(jié)束還是異常結(jié)束。為了保證在方法異常完成時 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正確配對執(zhí)行，編譯器會自動產(chǎn)生一個異常處理器，這個異常處理器聲明可處理所有的異常，它的目的就是用來執(zhí)行 monitorexit 指令。從字節(jié)碼中也可以看出多了一個monitorexit指令，它就是異常結(jié)束時被執(zhí)行的釋放monitor 的指令。

synchronized方法底層原理

方法級的同步是隱式，即無需通過字節(jié)碼指令來控制的，它實現(xiàn)在方法調(diào)用和返回操作之中。JVM可以從方法常量池中的方法表結(jié)構(gòu)(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志區(qū)分一個方法是否同步方法。當(dāng)方法調(diào)用時，調(diào)用指令將會 檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志是否被設(shè)置，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程將先持有monitor（虛擬機規(guī)范中用的是管程一詞）， 然后再執(zhí)行方法，最后再方法完成(無論是正常完成還是非正常完成)時釋放monitor。在方法執(zhí)行期間，執(zhí)行線程持有了monitor，其他任何線程都無法再獲得同一個monitor。如果一個同步方法執(zhí)行期間拋 出了異常，并且在方法內(nèi)部無法處理此異常，那這個同步方法所持有的monitor將在異常拋到同步方法之外時自動釋放。下面我們看看字節(jié)碼層面如何實現(xiàn)：

public class SyncMethod {
   public int i;
   public synchronized void syncTask(){
           i++;
   }
}

使用javap反編譯后的字節(jié)碼如下：

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncMethod.class
  Last modified 2017-6-2; size 308 bytes
  MD5 checksum f34075a8c059ea65e4cc2fa610e0cd94
  Compiled from "SyncMethod.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncMethod
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool;
   //省略沒必要的字節(jié)碼
  //==================syncTask方法======================
  public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    //方法標(biāo)識ACC_PUBLIC代表public修飾，ACC_SYNCHRONIZED指明該方法為同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field i:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field i:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 10
}
SourceFile: "SyncMethod.java"

從字節(jié)碼中可以看出，synchronized修飾的方法并沒有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的確實是ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)識，該標(biāo)識指明了該方法是一個同步方法，JVM通過該ACC_SYNCHRONIZED訪問標(biāo)志來辨別一個方法是否聲明為同步方法，從而執(zhí)行相應(yīng)的同步調(diào)用。這便是synchronized鎖在同步代碼塊和同步方法上實現(xiàn)的基本原理。同時我們還必須注意到的是在Java早期版本中，synchronized屬于重量級鎖，效率低下，因為監(jiān)視器鎖（monitor）是依賴于底層的操作系統(tǒng)的Mutex Lock來實現(xiàn)的，而操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程之間的切換時需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高，這也是為什么早期的synchronized效率低的原因。慶幸的是在Java 6之后Java官方對從JVM層面對synchronized較大優(yōu)化，所以現(xiàn)在的synchronized鎖效率也優(yōu)化得很不錯了，Java 6之后，為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，引入了輕量級鎖和偏向鎖，接下來我們將簡單了解一下Java官方在JVM層面對synchronized鎖的優(yōu)化。

Java虛擬機對synchronized的優(yōu)化

鎖的狀態(tài)總共有四種，無鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。隨著鎖的競爭，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖，但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現(xiàn)鎖的降級，關(guān)于重量級鎖，前面我們已詳細(xì)分析過，下面我們將介紹偏向鎖和輕量級鎖以及JVM的其他優(yōu)化手段，這里并不打算深入到每個鎖的實現(xiàn)和轉(zhuǎn)換過程更多地是闡述Java虛擬機所提供的每個鎖的核心優(yōu)化思想，畢竟涉及到具體過程比較繁瑣，如需了解詳細(xì)過程可以查閱《深入理解Java虛擬機原理》。

偏向鎖

偏向鎖是Java 6之后加入的新鎖，它是一種針對加鎖操作的優(yōu)化手段，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在大多數(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，因此為了減少同一線程獲取鎖(會涉及到一些CAS操作,耗時)的代價而引入偏向鎖。偏向鎖的核心思想是，如果一個線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)，當(dāng)這個線程再次請求鎖時，無需再做任何同步操作，即獲取鎖的過程，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請的操作，從而也就提供程序的性能。所以，對于沒有鎖競爭的場合，偏向鎖有很好的優(yōu)化效果，畢竟極有可能連續(xù)多次是同一個線程申請相同的鎖。但是對于鎖競爭比較激烈的場合，偏向鎖就失效了，因為這樣場合極有可能每次申請鎖的線程都是不相同的，因此這種場合下不應(yīng)該使用偏向鎖，否則會得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗后，并不會立即膨脹為重量級鎖，而是先升級為輕量級鎖。下面我們接著了解輕量級鎖。

輕量級鎖

倘若偏向鎖失敗，虛擬機并不會立即升級為重量級鎖，它還會嘗試使用一種稱為輕量級鎖的優(yōu)化手段(1.6之后加入的)，此時Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級鎖的結(jié)構(gòu)。輕量級鎖能夠提升程序性能的依據(jù)是“對絕大部分的鎖，在整個同步周期內(nèi)都不存在競爭”，注意這是經(jīng)驗數(shù)據(jù)。需要了解的是，輕量級鎖所適應(yīng)的場景是線程交替執(zhí)行同步塊的場合，如果存在同一時間訪問同一鎖的場合，就會導(dǎo)致輕量級鎖膨脹為重量級鎖。

自旋鎖

輕量級鎖失敗后，虛擬機為了避免線程真實地在操作系統(tǒng)層面掛起，還會進(jìn)行一項稱為自旋鎖的優(yōu)化手段。這是基于在大多數(shù)情況下，線程持有鎖的時間都不會太長，如果直接掛起操作系統(tǒng)層面的線程可能會得不償失，畢竟操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程之間的切換時需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高，因此自旋鎖會假設(shè)在不久將來，當(dāng)前的線程可以獲得鎖，因此虛擬機會讓當(dāng)前想要獲取鎖的線程做幾個空循環(huán)(這也是稱為自旋的原因)，一般不會太久，可能是50個循環(huán)或100循環(huán)，在經(jīng)過若干次循環(huán)后，如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)。如果還不能獲得鎖，那就會將線程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式，這種方式確實也是可以提升效率的。最后沒辦法也就只能升級為重量級鎖了。

鎖消除

消除鎖是虛擬機另外一種鎖的優(yōu)化，這種優(yōu)化更徹底，Java虛擬機在JIT編譯時(可以簡單理解為當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時進(jìn)行編譯，又稱即時編譯)，通過對運行上下文的掃描，去除不可能存在共享資源競爭的鎖，通過這種方式消除沒有必要的鎖，可以節(jié)省毫無意義的請求鎖時間，如下StringBuffer的append是一個同步方法，但是在add方法中的StringBuffer屬于一個局部變量，并且不會被其他線程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享資源競爭的情景，JVM會自動將其鎖消除。

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 * 消除StringBuffer同步鎖
 */
public class StringBufferRemoveSync {
    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是線程安全,由于sb只會在append方法中使用,不可能被其他線程引用
        //因此sb屬于不可能共享的資源,JVM會自動消除內(nèi)部的鎖
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }
    public static void main(String[] args) {
        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            rmsync.add("abc", "123");
        }
    }
}

關(guān)于synchronized 可能需要了解的關(guān)鍵點

synchronized的可重入性

從互斥鎖的設(shè)計上來說，當(dāng)一個線程試圖操作一個由其他線程持有的對象鎖的臨界資源時，將會處于阻塞狀態(tài)，但當(dāng)一個線程再次請求自己持有對象鎖的臨界資源時，這種情況屬于重入鎖，請求將會成功，在java中synchronized是基于原子性的內(nèi)部鎖機制，是可重入的，因此在一個線程調(diào)用synchronized方法的同時在其方法體內(nèi)部調(diào)用該對象另一個synchronized方法，也就是說一個線程得到一個對象鎖后再次請求該對象鎖，是允許的，這就是synchronized的可重入性。如下：

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    static int j=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            //this,當(dāng)前實例對象鎖
            synchronized(this){
                i++;
                increase();//synchronized的可重入性
            }
        }
    }
    public synchronized void increase(){
        j++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

正如代碼所演示的，在獲取當(dāng)前實例對象鎖后進(jìn)入synchronized代碼塊執(zhí)行同步代碼，并在代碼塊中調(diào)用了當(dāng)前實例對象的另外一個synchronized方法，再次請求當(dāng)前實例鎖時，將被允許，進(jìn)而執(zhí)行方法體代碼，這就是重入鎖最直接的體現(xiàn)，需要特別注意另外一種情況，當(dāng)子類繼承父類時，子類也是可以通過可重入鎖調(diào)用父類的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor實現(xiàn)的，因此每次重入，monitor中的計數(shù)器仍會加1。

線程中斷與synchronized

線程中斷

正如中斷二字所表達(dá)的意義，在線程運行(run方法)中間打斷它，在Java中，提供了以下3個有關(guān)線程中斷的方法

//中斷線程（實例方法）
public void Thread.interrupt();
//判斷線程是否被中斷（實例方法）
public boolean Thread.isInterrupted();
//判斷是否被中斷并清除當(dāng)前中斷狀態(tài)（靜態(tài)方法）
public static boolean Thread.interrupted();

當(dāng)一個線程處于被阻塞狀態(tài)或者試圖執(zhí)行一個阻塞操作時，使用Thread.interrupt()方式中斷該線程，注意此時將會拋出一個InterruptedException的異常，同時中斷狀態(tài)將會被復(fù)位(由中斷狀態(tài)改為非中斷狀態(tài))，如下代碼將演示該過程：

public class InterruputSleepThread3 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                //while在try中，通過異常中斷就可以退出run循環(huán)
                try {
                    while (true) {
                        //當(dāng)前線程處于阻塞狀態(tài)，異常必須捕捉處理，無法往外拋出
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("Interruted When Sleep");
                    boolean interrupt = this.isInterrupted();
                    //中斷狀態(tài)被復(fù)位
                    System.out.println("interrupt:"+interrupt);
                }
            }
        };
        t1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        //中斷處于阻塞狀態(tài)的線程
        t1.interrupt();
        /**
         * 輸出結(jié)果:
           Interruted When Sleep
           interrupt:false
         */
    }
}

如上述代碼所示，我們創(chuàng)建一個線程，并在線程中調(diào)用了sleep方法從而使用線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，啟動線程后，調(diào)用線程實例對象的interrupt方法中斷阻塞異常，并拋出InterruptedException異常，此時中斷狀態(tài)也將被復(fù)位。這里有些人可能會詫異，為什么不用Thread.sleep(2000);而是用TimeUnit.SECONDS.sleep(2);其實原因很簡單，前者使用時并沒有明確的單位說明，而后者非常明確表達(dá)秒的單位，事實上后者的內(nèi)部實現(xiàn)最終還是調(diào)用了Thread.sleep(2000);，但為了編寫的代碼語義更清晰，建議使用TimeUnit.SECONDS.sleep(2);的方式，注意TimeUnit是個枚舉類型。ok~，除了阻塞中斷的情景，我們還可能會遇到處于運行期且非阻塞的狀態(tài)的線程，這種情況下，直接調(diào)用Thread.interrupt()中斷線程是不會得到任響應(yīng)的，如下代碼，將無法中斷非阻塞狀態(tài)下的線程：

public class InterruputThread {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                while(true){
                    System.out.println("未被中斷");
                }
            }
        };
        t1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        t1.interrupt();
        /**
         * 輸出結(jié)果(無限執(zhí)行):
             未被中斷
             未被中斷
             未被中斷
             ......
         */
    }
}

雖然我們調(diào)用了interrupt方法，但線程t1并未被中斷，因為處于非阻塞狀態(tài)的線程需要我們手動進(jìn)行中斷檢測并結(jié)束程序，改進(jìn)后代碼如下：

public class InterruputThread {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                while(true){
                    //判斷當(dāng)前線程是否被中斷
                    if (this.isInterrupted()){
                        System.out.println("線程中斷");
                        break;
                    }
                }
                System.out.println("已跳出循環(huán),線程中斷!");
            }
        };
        t1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        t1.interrupt();
        /**
         * 輸出結(jié)果:
            線程中斷
            已跳出循環(huán),線程中斷!
         */
    }
}

是的，我們在代碼中使用了實例方法isInterrupted判斷線程是否已被中斷，如果被中斷將跳出循環(huán)以此結(jié)束線程,注意非阻塞狀態(tài)調(diào)用interrupt()并不會導(dǎo)致中斷狀態(tài)重置。綜合所述，可以簡單總結(jié)一下中斷兩種情況，一種是當(dāng)線程處于阻塞狀態(tài)或者試圖執(zhí)行一個阻塞操作時，我們可以使用實例方法interrupt()進(jìn)行線程中斷，執(zhí)行中斷操作后將會拋出interruptException異常(該異常必須捕捉無法向外拋出)并將中斷狀態(tài)復(fù)位，另外一種是當(dāng)線程處于運行狀態(tài)時，我們也可調(diào)用實例方法interrupt()進(jìn)行線程中斷，但同時必須手動判斷中斷狀態(tài)，并編寫中斷線程的代碼(其實就是結(jié)束run方法體的代碼)。有時我們在編碼時可能需要兼顧以上兩種情況，那么就可以如下編寫：

public void run(){
    try {
    //判斷當(dāng)前線程是否已中斷,注意interrupted方法是靜態(tài)的,執(zhí)行后會對中斷狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位
    while (!Thread.interrupted()) {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    }
    } catch (InterruptedException e) {
    }
}

中斷與synchronized

事實上線程的中斷操作對于正在等待獲取的鎖對象的synchronized方法或者代碼塊并不起作用，也就是對于synchronized來說，如果一個線程在等待鎖，那么結(jié)果只有兩種，要么它獲得這把鎖繼續(xù)執(zhí)行，要么它就保存等待，即使調(diào)用中斷線程的方法，也不會生效。演示代碼如下

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 */
public class SynchronizedBlocked implements Runnable{
    public synchronized void f() {
        System.out.println("Trying to call f()");
        while(true) // Never releases lock
            Thread.yield();
    }
    /**
     * 在構(gòu)造器中創(chuàng)建新線程并啟動獲取對象鎖
     */
    public SynchronizedBlocked() {
        //該線程已持有當(dāng)前實例鎖
        new Thread() {
            public void run() {
                f(); // Lock acquired by this thread
            }
        }.start();
    }
    public void run() {
        //中斷判斷
        while (true) {
            if (Thread.interrupted()) {
                System.out.println("中斷線程!!");
                break;
            } else {
                f();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedBlocked sync = new SynchronizedBlocked();
        Thread t = new Thread(sync);
        //啟動后調(diào)用f()方法,無法獲取當(dāng)前實例鎖處于等待狀態(tài)
        t.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //中斷線程,無法生效
        t.interrupt();
    }
}

我們在SynchronizedBlocked構(gòu)造函數(shù)中創(chuàng)建一個新線程并啟動獲取調(diào)用f()獲取到當(dāng)前實例鎖，由于SynchronizedBlocked自身也是線程，啟動后在其run方法中也調(diào)用了f()，但由于對象鎖被其他線程占用，導(dǎo)致t線程只能等到鎖，此時我們調(diào)用了t.interrupt();但并不能中斷線程。

等待喚醒機制與synchronized

所謂等待喚醒機制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用這3個方法時，必須處于synchronized代碼塊或者synchronized方法中，否則就會拋出IllegalMonitorStateException異常，這是因為調(diào)用這幾個方法前必須拿到當(dāng)前對象的監(jiān)視器monitor對象，也就是說notify/notifyAll和wait方法依賴于monitor對象，在前面的分析中，我們知道m(xù)onitor 存在于對象頭的Mark Word 中(存儲monitor引用指針)，而synchronized關(guān)鍵字可以獲取 monitor ，這也就是為什么notify/notifyAll和wait方法必須在synchronized代碼塊或者synchronized方法調(diào)用的原因。

synchronized (obj) {
       obj.wait();
       obj.notify();
       obj.notifyAll();         
 }

需要特別理解的一點是，與sleep方法不同的是wait方法調(diào)用完成后，線程將被暫停，但wait方法將會釋放當(dāng)前持有的監(jiān)視器鎖(monitor)，直到有線程調(diào)用notify/notifyAll方法后方能繼續(xù)執(zhí)行，而sleep方法只讓線程休眠并不釋放鎖。同時notify/notifyAll方法調(diào)用后，并不會馬上釋放監(jiān)視器鎖，而是在相應(yīng)的synchronized(){}/synchronized方法執(zhí)行結(jié)束后才自動釋放鎖。

感謝各位的閱讀，以上就是“Java編程中synchronized的實現(xiàn)原理”的內(nèi)容了，經(jīng)過本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對Java編程中synchronized的實現(xiàn)原理這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實踐驗證。這里是億速云，小編將為大家推送更多相關(guān)知識點的文章，歡迎關(guān)注！