Java關(guān)鍵字synchronized原理與鎖的狀態(tài)實(shí)例分析

今天小編給大家分享一下Java關(guān)鍵字synchronized原理與鎖的狀態(tài)實(shí)例分析的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，內(nèi)容詳細(xì)，邏輯清晰，相信大部分人都還太了解這方面的知識(shí)，所以分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后有所收獲，下面我們一起來(lái)了解一下吧。

一、Java中鎖的概念

• 自旋鎖：是指當(dāng)一個(gè)線程獲取鎖的時(shí)候，如果鎖已經(jīng)被其它線程獲取，那么該線程將循環(huán)等待，然后不斷的判斷鎖是否能被成功獲取，直到獲取到鎖才會(huì)退出循環(huán)。

• 樂(lè)觀鎖：假定沒(méi)有沖突，在修改數(shù)據(jù)時(shí)如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)和之前獲取的不一致，則讀最新數(shù)據(jù)，重試修改。

• 悲觀鎖：假定會(huì)發(fā)生并發(fā)沖突，同步所有對(duì)數(shù)據(jù)的相關(guān)操作，從讀數(shù)據(jù)就開(kāi)始上鎖。

• 獨(dú)享鎖(寫(xiě))：給資源加上寫(xiě)鎖，線程可以修改資源，其它線程不能再加鎖(單寫(xiě))。

• 共享鎖(讀)：給資源加上讀鎖后只能讀不能修改，其它線程也只能加讀鎖，不能加寫(xiě)鎖(多度)。看成Semaphore(信號(hào)量)理解即可。

• 可重入鎖&不可重入鎖：線程拿到一把鎖之后，可以自由進(jìn)入同一把鎖所同步的其它代碼。

• 公平鎖&非公平鎖：爭(zhēng)搶鎖的順序，如果是按先來(lái)后到，則為公平。即能保證搶鎖的順序和搶到鎖的順序一致則為公平鎖。

二、同步關(guān)鍵字synchronized特性

特性：可重入、獨(dú)享、悲觀鎖。

鎖相關(guān)的優(yōu)化：

• 鎖消除 ：開(kāi)啟鎖消除的參數(shù)有 -XX:+DoEscapeAnalysis、 -XX:+EliminateLocks。

• 鎖粗化：JDK做了鎖粗化的優(yōu)化，但我們自己可從代碼層面優(yōu)化。

1、鎖消除示例

/**
 * 鎖消除示例，JIT即時(shí)編譯，進(jìn)行了鎖消除
 * @author 劉亞樓
 * @date 2020/1/16
 */
public class LockEliminationExample {
	/**
	 * StringBuilder線程不安全，StringBuffer用了synchronized關(guān)鍵字，是線程安全的
	 * 針對(duì)下面這種單線程加鎖、解鎖操作，JIT會(huì)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行鎖消除
	 */
	public static void eliminateLock() {
		StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
		stringBuffer.append("a");
		stringBuffer.append("b");
		stringBuffer.append("c");
		stringBuffer.append("a");
		stringBuffer.append("b");
		stringBuffer.append("c");
		stringBuffer.append("a");
		stringBuffer.append("b");
		stringBuffer.append("c");
	}
}

2、鎖粗化示例

/**
 * 鎖粗化示例
 * @author 劉亞樓
 * @date 2020/1/16
 */
public class LockCoarseningExample {
	/**
	 * 針對(duì)下面這種無(wú)意義的加鎖操作，JIT會(huì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)變量i的所有操作放到一個(gè)同步代碼塊里
	 */
	public static void lockCoarsening() {
		int i = 0;
		synchronized (LockCoarseningExample.class) {
			i++;
		}
		synchronized (LockCoarseningExample.class) {
			i--;
		}
		synchronized (LockCoarseningExample.class) {
			i++;
		}
		synchronized (LockCoarseningExample.class) {
			i++;
			i--;
			i++;
		}
	}
}

備注：鎖消除和鎖粗化的區(qū)別在于鎖消除是針對(duì)單個(gè)線程重復(fù)加解鎖做的優(yōu)化，最終沒(méi)有鎖的存在。而鎖粗化不只是針對(duì)單線程，且最終還是有鎖的存在。

三、synchronized關(guān)鍵字原理

1、關(guān)于Mark Word

首先，對(duì)象在堆中由對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充組成。

對(duì)象頭包含兩部分信息，第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向鎖id等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)官方稱為"Mark Word"。

對(duì)象頭的另一部分是類(lèi)型指針，即對(duì)象指向它的類(lèi)元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例。

synchronized實(shí)現(xiàn)的鎖是通過(guò)改變對(duì)象頭的"Mark Word"來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

"Mard Word"在32位和64位的虛擬機(jī)(未開(kāi)啟壓縮指針)中分別為32位和64位。32位虛擬機(jī)"Mark Word"如下：

2、鎖的狀態(tài)變化

(1) 無(wú)鎖 → 輕量級(jí)鎖

無(wú)鎖變成輕量級(jí)鎖時(shí)，多個(gè)線程會(huì)讀取對(duì)象的對(duì)象頭的無(wú)鎖狀態(tài)mark word內(nèi)容，然后進(jìn)行cas操作進(jìn)行修改，預(yù)期值是無(wú)鎖狀態(tài)mark word內(nèi)容，新值是輕量級(jí)鎖狀態(tài)mark word內(nèi)容，若修改成功，Lock record address指向成功獲取鎖的線程的Lock Record。

演示流程如下：

(2) 輕量級(jí)鎖 → 重量級(jí)鎖

由于未成功獲取鎖的線程會(huì)自旋，長(zhǎng)時(shí)間自旋會(huì)消耗CPU資源，因此自旋到一定次數(shù)會(huì)進(jìn)行鎖升級(jí)，由輕量級(jí)鎖轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓考?jí)鎖。

重量級(jí)鎖是通過(guò)object monitor(對(duì)象監(jiān)視器)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)象監(jiān)視器包括entryList(鎖池)、owner(持鎖者)、waitSet(等待集合)等。

升級(jí)為重量級(jí)鎖時(shí)對(duì)象頭mark word的內(nèi)容是monitor address(對(duì)象監(jiān)視器地址)，指向?qū)ο蟊O(jiān)視器。

演示流程如下：

備注：搶鎖失敗線程會(huì)進(jìn)入entryList(鎖池)，在調(diào)用wait方法后，線程會(huì)進(jìn)入waitSet(等待集合)，waitSet中的線程被喚醒后會(huì)重新進(jìn)入entryList。

(3) 關(guān)于偏向鎖

加鎖之后不解鎖，針對(duì)單線程

所謂偏向就是偏心，單線程加鎖之后就不再解鎖，減少了加鎖→業(yè)務(wù)處理→釋放鎖→加鎖操作流程。

在JDK6以后，默認(rèn)已經(jīng)開(kāi)啟了偏向鎖這個(gè)優(yōu)化，通過(guò)JVM參數(shù)-XX:-UseBiasedLocking來(lái)禁用偏向鎖，若偏向鎖開(kāi)啟，只有一個(gè)線程搶鎖，可獲取到偏向鎖。

關(guān)于偏向鎖Mark Word內(nèi)容如下：

偏向標(biāo)記第一次有用，出現(xiàn)過(guò)爭(zhēng)用后就沒(méi)用了。

偏向鎖本質(zhì)就是無(wú)鎖，如果沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何多線程爭(zhēng)搶鎖的情況，JVM認(rèn)為就是單線程，無(wú)需做同步。

備注：JVM為了少干活，同步在JVM底層是有很多操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果沒(méi)有爭(zhēng)用，就不需要去做同步操作。

(4) 完整的鎖升級(jí)過(guò)程

如果未開(kāi)啟偏向鎖，無(wú)鎖狀態(tài)會(huì)先升級(jí)為輕量級(jí)鎖，輕量級(jí)鎖自選到一定程度升級(jí)為重量級(jí)鎖。

如果開(kāi)啟了偏向鎖，有兩種情況：

• 當(dāng)鎖未被占用時(shí)，會(huì)升級(jí)為無(wú)鎖，無(wú)鎖再升級(jí)為輕量級(jí)鎖，再由輕量級(jí)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖。

• 當(dāng)鎖被占用時(shí)，會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，再由輕量級(jí)鎖升級(jí)到重量級(jí)鎖。

以上就是“Java關(guān)鍵字synchronized原理與鎖的狀態(tài)實(shí)例分析”這篇文章的所有內(nèi)容，感謝各位的閱讀！相信大家閱讀完這篇文章都有很大的收獲，小編每天都會(huì)為大家更新不同的知識(shí)，如果還想學(xué)習(xí)更多的知識(shí)，請(qǐng)關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。