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怎样深入理解Java多线程与并发框中的synchronized 关键字

2023-06-05 04:14

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怎样深入理解Java多线程与并发框中的synchronized 关键字，相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。

一、Class文件与对象

对象头 32位JVM的对象头

二、synchronized 三种应用方式

用于实例对象方法（对象是锁）用于静态方法（类是锁）用于同步代码块（同步代码块是锁）

三、synchronized 底层语义原理

锁：就在对象头中

Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入enter 和退出exit 监视器(Monitor)对象实现，无论是显式同步(有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代码块)还是隐式同步都是如此。在 Java 语言中，同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修饰的同步方法。同步方法并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的，关于这点，稍后详细分析。下面先来了解一个概念Java对象头，这对深入理解synchronized实现原理非常关键。

对象加锁：使用 monitorenter 和 monitorexit 指令分别获取控制权和释放控制权。

方法加锁：

方法级的同步是隐式，即无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有monitor（虚拟机规范中用的是监视器一词），然后再执行方法，最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放。

四、JVM对synchronized的优化

背景：Java 6之后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁。锁的状态：无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。锁从偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁的锁升级是单向的、不可逆的，没有锁降级这一说。

偏向锁

因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。

轻量级锁

轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时刻访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

自旋锁

自旋锁是乐观的一种表现，乐观的认为很大概率是能够获得锁的。（根据阿里巴巴Java开发规范：如果每次访问冲突的概率小于 20%，推荐使用乐观锁，否则使用悲观锁。乐观锁的重试次数不得小于3次。）

重入锁

从互斥锁的设计上来说，当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界区的资源时，这种情况属于 *重入锁，请求将会成功，在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性。

锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间，如下StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。