深入理解synchronized关键字

synchronized是并发编程中重要的使用工具之一，我们必须学会使用并且掌握它的原理。

概念及作用

JVM自带的关键字，可在需要线程安全的业务场景中使用，来保证线程安全。

用法

按照锁的对象区分可以分为对象锁和类锁
按照在代码中的位置区分可以分为方法形式和代码块形式

对象锁

锁对象为当前this或者说是当前类的实例对象

 public void synchronized method(){
    System.out.println("我是普通方法形式的对象锁");
 }
 public void method(){
     synchronized(this){
     　　System.out.println("我是代码块形式的对象锁");
　　　}
 }

类锁

锁的是当前类或者指定类的Class对象。一个类可能有多个实例对象，但它只可能有一个Class对象。

public static void synchronized method(){
　　System.out.println("我是静态方法形式的类锁");
}
public void method(){
　　synchronized(*.class){
　　　　System.out.println("我是代码块形式的类锁");
　　}
}

SimpleExample

[参考] https://www.imooc.com/learn/1086 【慕课网，Java高并发之魂：synchronized深度解析】

最基本的用法在上一个标题用法中已将伪代码列出，这里列举在以上基础上稍微变化一些的用法
1.多个实例，对当前实例加锁，同步执行，对当前类Class对象加锁，异步执行

public class SimpleExample implements Runnable{
　　static SimpleExample instance1 = new SimpleExample();
　　static SimpleExample instance2 = new SimpleExample();

　　@Override
　　public void run(){
　　　　method1();
　　　　method2();
　　　　method3();
　　　　method4();
　　}

　　public synchronized void method1(){
　　　　common();
　　}

　　public static synchronized void method2(){
　　　　commonStatic();
　　}

　　public void method3(){
　　　　synchronized(this){
　　　　　　common();
　　　　}
　　}

　　public void method4(){
　　　　synchronized(MultiInstance.class){
　　　　　　common();
　　　　}
　　}

　　public void method5(){
　　　　common();
　　}

　　public void method6(){
　　　　commonStatic();
　　}

　　public void common(){
　　　　System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 正在执行");
　　　　try{
　　　　　　Thread.sleep(1000);
　　　　}catch(InterruptedException e){
　　　　　　e.printStackTrace();
　　　　}
　　　　System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 执行完毕");
　　}

　　public static void commonStatic(){
　　　　System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 正在执行");
　　　　try{
　　　　　　Thread.sleep(1000);
　　　　}catch(InterruptedException e){
　　　　　　e.printStackTrace();
　　　　}
　　　　System.out.println("线程 "+Thread.currentThread().getName()+" 执行完毕");
　　}
　　public static void main(String[] args)throws InterruptedException{
　　　　Thread t1 = new Thread(instance1);
　　　　Thread t2 = new Thread(instance2);
　　　　t1.start();
　　　　t2.start();
　　　　t1.join();
　　　　t2.join();
　　　　System.out.println("finished");
　　}
}
method1()、method3()结果为：
线程Thread-0正在执行
线程Thread-1正在执行
线程Thread-0执行完毕
线程Thread-1执行完毕
finished

method2()、method4()执行结果为：
线程Thread-0正在执行
线程Thread-0执行完毕
线程Thread-1正在执行
线程Thread-1执行完毕
finished

2.对象锁和类锁，锁的对象不一样，互不影响，所以异步执行

// 将run方法改为
@Override
public void run(){
　　if("Thread-0".equals(Thread.currentThread().getName())){
　　　　method1();
　　}else{
　　　　method2();
}
}
// 将main方法改为
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
Thread t1 = new Thread(instance1);
Thread t2 = new Thread(instance1);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("finished");
}
结果为：
线程Thread-0正在执行
线程Thread-1正在执行
线程Thread-1执行完毕
线程Thread-0执行完毕
finished

3.对象锁和无锁得普通方法，普通方法不需要持有锁，所以异步执行

// 将run方法改为
@Override
public void run(){
　　if("Thread-0".equals(Thread.currentThread().getName())){
　　　　method1();
　　}else{
　　　　method5();
　　}
}
// main方法同 2
结果为：
线程Thread-0正在执行
线程Thread-1正在执行
线程Thread-0执行完毕
线程Thread-1执行完毕
finished

4.类锁和无锁静态方法，异步执行

// 将run方法改为
@Override
public void run(){
　　if("Thread-0".equals(Thread.currentThread().getName())){
　　　　method1();
　　}else{
　　　　method6();
　　}
}
// main方法同 2
结果为：
线程Thread-0正在执行
线程Thread-1正在执行
线程Thread-0执行完毕
线程Thread-1执行完毕
finished

5.方法抛出异常，synchronized锁自动释放

// run方法改为
@Override
public void run(){
　　if("Thread-0".equals(Thread.currentThread().getName())){
　　　　method7();
　　}else{
　　　　method8();
　　}
}
public synchronized void method7(){
　　try{
　　　　...
　　　　throw new Exception();
　　}catch(Exception e){
　　　　e.printStackTrace();
　　}
}
public synchronized void method8(){
　　common();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
　　// 同 2
}
结果为：
线程Thread-0正在执行
java.lang.Exception
at com.marksman.theory2practicehighconcurrency.synchronizedtest.blog.SynchronizedException.method7(SynchronizedException.java:26)
at com.marksman.theory2practicehighconcurrency.synchronizedtest.blog.SynchronizedException.run(SynchronizedException.java:15)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
线程Thread-0执行结束
线程Thread-1正在执行
线程Thread-1执行结束
finished
// 这说明抛出异常后持有对象锁的method7()方法释放了锁，这样method8()才能获取到锁并执行。

6.可重入特性

public class SynchronizedRecursion{
　　int a =0;
　　int b =0;
　　private void method1(){
　　　　System.out.println("method1正在执行，a = "+ a);
　　　　if(a ==0){
　　　　　　a ++;
　　　　　　method1();
　　　　}
　　　　System.out.println("method1执行结束，a = "+ a);
　　}
　　private synchronized void method2(){
　　　　System.out.println("method2正在执行，b = "+ b);
　　　　if(b == 0){
　　　　　　b ++;
　　　　　　method2();
　　　　}
　　　　System.out.println("method2执行结束，b = "+ b);
　　}
　　public static void main(String[] args){
　　　　SynchronizedRecursion synchronizedRecursion = new SynchronizedRecursion();
　　　　synchronizedRecursion.method1();
　　　　synchronizedRecursion.method2();
　　}
}
结果为：
method1正在执行，a =0
method1正在执行，a =1
method1执行结束，a =1
method1执行结束，a =1
method2正在执行，b =0
method2正在执行，b =1
method2执行结束，b =1
method2执行结束，b =1
// 可以看到method1()与method2()的执行结果一样的，method2()在获取到对象锁以后，在递归调用时不需要等上一次调用先释放后再获取，而是直接进入，这说明了synchronized的可重入性.
// 当然，除了递归调用，调用同类的其它同步方法，调用父类同步方法，都是可重入的，前提是同一对象去调用，这里就不一一列举了.

总结一下

一把锁只能同时被一个线程获取，没有拿到锁的线程必须等待；
每个实例都对应有自己的一把锁，不同实例之间互不影响；
锁对象是*.class以及synchronized修饰的static方法时，所有对象共用一把类锁；
无论是方法正常执行完毕或者方法抛出异常，都会释放锁；
使用synchronized修饰的方法都是可重入的。

synchronized的实现原理

monitorenter和monitorexit

将下面两段代码分别用 javac *.java编译成.class文件，再反编译 javap -verbose *.class文件

public class SynchronizedThis{
　　public void method(){
　　　　synchronized(this){}
　　}
}

// 反编译结果
public void method();
descriptor:()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter
4: aload_1
5: monitorexit
6:goto14
9: astore_2
10: aload_1
11: monitorexit
12: aload_2
13: athrow
14:return
 
public class SynchronizedMethod{
　　public synchronized void method(){}
}

// 反编译结果
public synchronized void method();
descriptor:()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
stack=0, locals=1, args_size=1
0:return
LineNumberTable:
line 2:0

可以看到：

synchronized加在代码块上，JVM是通过monitorenter和monitorexit来控制锁的获取的释放的；
synchronized加在方法上，JVM是通过ACC_SYNCHRONIZED来控制的，但本质上也是通过monitorenter和monitorexit指令控制的。

对象头

[参考] https://www.jianshu.com/p/3d38cba67f8b 【简书，Java对象头详解】

上面我们提到monitor，这是什么鬼？
其实，对象在内存是这样存储的，包括对象头、实例数据和对齐填充Padding，其中对象头包括
Mark Word和类型指针。

Mark Word

Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（identity_hashcode）、GC分代年龄(age)、锁状态标志(lock)、线程持有的锁、偏向线程ID(thread)、偏向时间戳(epoch)等等，占用内存大小与虚拟机位长一致。

Mark Word (32 bits)	State 锁状态
identity_hashcode:25 \| age:4 \| biased_lock:1 \| lock:2	Normal 无锁
thread:23 \| epoch:2 \| age:4 \| biased_lock:1 \| lock:2	Biased 偏向锁
ptr_to_lock_record:30 \| lock:2	Lightweight Locked 轻量级锁
ptr_to_heavyweight_monitor:30 \| lock:2	Heavyweight Locked 重量级锁
\| lock:2	Marked for GC GC标记

Mark Word (64 bits)	State 锁状态
unused:25\|identity_hashcode:31\|unused:1\|age:4\|biased_lock:1\|lock:2	Normal 无锁
thread:54 \|epoch:2\|unused:1\|age:4\|biased_lock:1\|lock:2	Biased 偏向锁
ptr_to_lock_record:62 \| lock:2	Lightweight Locked 轻量级锁
ptr_to_heavyweight_monitor:62 \| lock:2	Heavyweight Locked 重量级锁
\| lock:2	Marked for GC GC标记

可以看到，monitor就存在Mark Word中。

类型指针

类型指针指向对象的类元数据metadata，虚拟机通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。

锁状态

biased_lock	lock	状态
0	01	无锁
1	01	偏向锁
0	00	轻量级锁
0	10	重量级锁
0	11	GC标记

JDK对synchronized的优化

jdk1.6之前synchronized是很重的，所以并不被开发者偏爱，随着后续版本jdk对synchronized的优化使其越来越轻量，它还是很好用的，甚至ConcurrentHashMap在jdk的put方法都在jdk1.8时从ReetrantLock.tryLock()改为用synchronized来实现同步。
并且还引入了偏向锁，轻量级锁等概念，下面是偏向锁和轻量级锁的获取流程

![偏向锁和轻量级锁的获取流程] https://www.processon.com/diagraming/5c25db87e4b016324f447c95 【ProncessOn 公开克隆】

[参考] 链接：https://pan.baidu.com/s/1gA_URintNDiq_SuAbJQE2Q 提取码：s6vx 【咕泡学院公开课】

偏向锁 baised_lock

如果一个线程获取了偏向锁，那么如果在接下来的一段时间里，如果没有其他线程来抢占锁，那么获取锁的线程在下一次进入方法时不需要重新获取锁。

synchronized与ReentrantLock的区别

[参考] https://time.geekbang.org/column/article/8799 【极客时间，Java核心技术36讲专栏】

区别	synchronized	ReentrantLock
灵活性	代码简单，自动获取、释放锁	相对繁琐，需要手动获取、释放锁
是否可重入	是	是
作用位置	可作用在方法和代码块	只能用在代码块
获取、释放锁的方式	monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED	尝试非阻塞获取锁tryLock()、超时获取锁tryLock(long timeout,TimeUnit unit)、unlock()
获取锁的结果	不知道	可知，tryLock()返回boolean
使用注意事项	1、锁对象不能为空（锁保存在对象头中，null没有对象头） 2、作用域不宜过大	1、切记要在finally中unlock()，否则会形成死锁 2、不要将获取锁的过程写在try块内，因为如果在获取锁时发生了异常，异常抛出的同时，也会导致锁无故被释放。

posted @ 2019-01-09 14:39 Marksmanbat 阅读(645) 评论(0) 编辑收藏举报

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