死磕 java同步系列之synchronized解析

問(wèn)題

（1）synchronized的特性？

（2）synchronized的實(shí)現(xiàn)原理？

（3）synchronized是否可重入？

（4）synchronized是否是公平鎖？

（5）synchronized的優(yōu)化？

（6）synchronized的五種使用方式？

簡(jiǎn)介

synchronized關(guān)鍵字是Java里面最基本的同步手段，它經(jīng)過(guò)編譯之后，會(huì)在同步塊的前后分別生成 monitorenter 和 monitorexit 字節(jié)碼指令，這兩個(gè)字節(jié)碼指令都需要一個(gè)引用類型的參數(shù)來(lái)指明要鎖定和解鎖的對(duì)象。

實(shí)現(xiàn)原理

在學(xué)習(xí)Java內(nèi)存模型的時(shí)候，我們介紹過(guò)兩個(gè)指令：lock 和 unlock。

lock，鎖定，作用于主內(nèi)存的變量，它把主內(nèi)存中的變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占狀態(tài)。

unlock，解鎖，作用于主內(nèi)存的變量，它把鎖定的變量釋放出來(lái)，釋放出來(lái)的變量才可以被其它線程鎖定。

但是這兩個(gè)指令并沒(méi)有直接提供給用戶使用，而是提供了兩個(gè)更高層次的指令 monitorenter 和 monitorexit 來(lái)隱式地使用 lock 和 unlock 指令。

而 synchronized 就是使用 monitorenter 和 monitorexit 這兩個(gè)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)JVM規(guī)范的要求，在執(zhí)行monitorenter指令的時(shí)候，首先要去嘗試獲取對(duì)象的鎖，如果這個(gè)對(duì)象沒(méi)有被鎖定，或者當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個(gè)對(duì)象的鎖，就把鎖的計(jì)數(shù)器加1，相應(yīng)地，在執(zhí)行monitorexit的時(shí)候會(huì)把計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器減小為0時(shí)，鎖就釋放了。

我們還是來(lái)上一段代碼，看看編譯后的字節(jié)碼長(zhǎng)啥樣來(lái)學(xué)習(xí)：

public class SynchronizedTest {

    public static void sync() {
        synchronized (SynchronizedTest.class) {
            synchronized (SynchronizedTest.class) {
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

    }
}

我們這段代碼很簡(jiǎn)單，只是簡(jiǎn)單地對(duì)SynchronizedTest.class對(duì)象加了兩次synchronized，除此之外，啥也沒(méi)干。

編譯后的sync()方法的字節(jié)碼指令如下，為了便于閱讀，彤哥特意加上了注釋：

// 加載常量池中的SynchronizedTest類對(duì)象到操作數(shù)棧中
0 ldc #2 <com/coolcoding/code/synchronize/SynchronizedTest>
// 復(fù)制棧頂元素
2 dup
// 存儲(chǔ)一個(gè)引用到本地變量0中，后面的0表示第幾個(gè)變量
3 astore_0
// 調(diào)用monitorenter，它的參數(shù)變量0，也就是上面的SynchronizedTest類對(duì)象
4 monitorenter
// 再次加載常量池中的SynchronizedTest類對(duì)象到操作數(shù)棧中
5 ldc #2 <com/coolcoding/code/synchronize/SynchronizedTest>
// 復(fù)制棧頂元素
7 dup
// 存儲(chǔ)一個(gè)引用到本地變量1中
8 astore_1
// 再次調(diào)用monitorenter，它的參數(shù)是變量1，也還是SynchronizedTest類對(duì)象
9 monitorenter
// 從本地變量表中加載第1個(gè)變量
10 aload_1
// 調(diào)用monitorexit解鎖，它的參數(shù)是上面加載的變量1
11 monitorexit
// 跳到第20行
12 goto 20 (+8)
15 astore_2
16 aload_1
17 monitorexit
18 aload_2
19 athrow
// 從本地變量表中加載第0個(gè)變量
20 aload_0
// 調(diào)用monitorexit解鎖，它的參數(shù)是上面加載的變量0
21 monitorexit
// 跳到第30行
22 goto 30 (+8)
25 astore_3
26 aload_0
27 monitorexit
28 aload_3
29 athrow
// 方法返回，結(jié)束
30 return

按照彤哥的注釋讀起來(lái)，字節(jié)碼比較簡(jiǎn)單，我們的synchronized鎖定的是SynchronizedTest類對(duì)象，可以看到它從常量池中加載了兩次SynchronizedTest類對(duì)象，分別存儲(chǔ)在本地變量0和本地變量1中，解鎖的時(shí)候正好是相反的順序，先解鎖變量1，再解鎖變量0，實(shí)際上變量0和變量1指向的是同一個(gè)對(duì)象，所以synchronized是可重入的。

至于，被加鎖的對(duì)象具體在對(duì)象頭中是怎么存儲(chǔ)的，彤哥這里就不細(xì)講了，有興趣的可以看看《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》這本書。

公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)“JMM”可領(lǐng)取這本書籍的pdf版。

原子性、可見(jiàn)性、有序性

前面講解Java內(nèi)存模型的時(shí)候我們說(shuō)過(guò)內(nèi)存模型主要就是用來(lái)解決緩存一致性的問(wèn)題的，而緩存一致性主要包括原子性、可見(jiàn)性、有序性。

那么，synchronized關(guān)鍵字能否保證這三個(gè)特性呢？

還是回到Java內(nèi)存模型上來(lái)，synchronized關(guān)鍵字底層是通過(guò)monitorenter和monitorexit實(shí)現(xiàn)的，而這兩個(gè)指令又是通過(guò)lock和unlock來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

而lock和unlock在Java內(nèi)存模型中是必須滿足下面四條規(guī)則的：

（1）一個(gè)變量同一時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作，但lock操作可以被同一個(gè)線程執(zhí)行多次，多次執(zhí)行l(wèi)ock后，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作，變量才能被解鎖。

（2）如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前，需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值；

（3）如果一個(gè)變量沒(méi)有被lock操作鎖定，則不允許對(duì)其執(zhí)行unlock操作，也不允許unlock一個(gè)其它線程鎖定的變量；

（4）對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中，即執(zhí)行store和write操作；

通過(guò)規(guī)則（1），我們知道對(duì)于lock和unlock之間的代碼，同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程訪問(wèn)，所以，synchronized是具有原子性的。

通過(guò)規(guī)則（1）（2）和（4），我們知道每次lock和unlock時(shí)都會(huì)從主內(nèi)存加載變量或把變量刷新回主內(nèi)存，而lock和unlock之間的變量（這里是指鎖定的變量）是不會(huì)被其它線程修改的，所以，synchronized是具有可見(jiàn)性的。

通過(guò)規(guī)則（1）和（3），我們知道所有對(duì)變量的加鎖都要排隊(duì)進(jìn)行，且其它線程不允許解鎖當(dāng)前線程鎖定的對(duì)象，所以，synchronized是具有有序性的。

綜上所述，synchronized是可以保證原子性、可見(jiàn)性和有序性的。

公平鎖 VS 非公平鎖

通過(guò)上面的學(xué)習(xí)，我們知道了synchronized的實(shí)現(xiàn)原理，并且它是可重入的，那么，它是否是公平鎖呢？

直接上菜：

public class SynchronizedTest {

    public static void sync(String tips) {
        synchronized (SynchronizedTest.class) {
            System.out.println(tips);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(()->sync("線程1")).start();
        Thread.sleep(100);
        new Thread(()->sync("線程2")).start();
        Thread.sleep(100);
        new Thread(()->sync("線程3")).start();
        Thread.sleep(100);
        new Thread(()->sync("線程4")).start();
    }
}

在這段程序中，我們起了四個(gè)線程，且分別間隔100ms啟動(dòng)，每個(gè)線程里面打印一句話后等待1000ms，如果synchronized是公平鎖，那么打印的結(jié)果應(yīng)該依次是 線程1、2、3、4。

但是，實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果幾乎不會(huì)出現(xiàn)上面的樣子，所以，synchronized是一個(gè)非公平鎖。

鎖優(yōu)化

Java在不斷進(jìn)化，同樣地，Java中像synchronized這種古老的東西也在不斷進(jìn)化，比如ConcurrentHashMap在jdk7的時(shí)候還是使用ReentrantLock加鎖的，在jdk8的時(shí)候已經(jīng)換成了原生的synchronized了，可見(jiàn)synchronized有原生的支持，它的進(jìn)化空間還是很大的。

那么，synchronized有哪些進(jìn)化中的狀態(tài)呢？

我們這里稍做一些簡(jiǎn)單地介紹：

（1）偏向鎖，是指一段同步代碼一直被一個(gè)線程訪問(wèn)，那么這個(gè)線程會(huì)自動(dòng)獲取鎖，降低獲取鎖的代價(jià)。

（2）輕量級(jí)鎖，是指當(dāng)鎖是偏向鎖時(shí)，被另一個(gè)線程所訪問(wèn)，偏向鎖會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，這個(gè)線程會(huì)通過(guò)自旋的方式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞，提高性能。

（3）重量級(jí)鎖，是指當(dāng)鎖是輕量級(jí)鎖時(shí)，當(dāng)自旋的線程自旋了一定的次數(shù)后，還沒(méi)有獲取到鎖，就會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，該鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖會(huì)使其他線程阻塞，性能降低。

總結(jié)

（1）synchronized在編譯時(shí)會(huì)在同步塊前后生成monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令；

（2）monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令需要一個(gè)引用類型的參數(shù)，基本類型不可以哦；

（3）monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令更底層是使用Java內(nèi)存模型的lock和unlock指令；

（4）synchronized是可重入鎖；

（5）synchronized是非公平鎖；

（6）synchronized可以同時(shí)保證原子性、可見(jiàn)性、有序性；

（7）synchronized有三種狀態(tài)：偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖；

彩蛋——synchronized的五種使用方式

通過(guò)上面的分析，我們知道synchronized是需要一個(gè)引用類型的參數(shù)的，而這個(gè)引用類型的參數(shù)在Java中其實(shí)可以分成三大類：類對(duì)象、實(shí)例對(duì)象、普通引用，使用方式分別如下：

public class SynchronizedTest2 {

    public static final Object lock = new Object();

    // 鎖的是SynchronizedTest.class對(duì)象
    public static synchronized void sync1() {

    }

    public static void sync2() {
        // 鎖的是SynchronizedTest.class對(duì)象
        synchronized (SynchronizedTest.class) {

        }
    }

    // 鎖的是當(dāng)前實(shí)例this
    public synchronized void sync3() {

    }

    public void sync4() {
        // 鎖的是當(dāng)前實(shí)例this
        synchronized (this) {

        }
    }

    public void sync5() {
        // 鎖的是指定對(duì)象lock
        synchronized (lock) {

        }
    }
}

在方法上使用synchronized的時(shí)候要注意，會(huì)隱式傳參，分為靜態(tài)方法和非靜態(tài)方法，靜態(tài)方法上的隱式參數(shù)為當(dāng)前類對(duì)象，非靜態(tài)方法上的隱式參數(shù)為當(dāng)前實(shí)例this。

另外，多個(gè)synchronized只有鎖的是同一個(gè)對(duì)象，它們之間的代碼才是同步的，這一點(diǎn)在使用synchronized的時(shí)候一定要注意。

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