Java中的synchronized关键字是用来实现线程同步的

WBOY

发布时间：2023-04-27 14:01:07

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一、synchronized实现锁的表现形式

修饰实例方法，对于普通同步方法，锁是当前的实例对象
修饰静态方法，对于静态同步方法，锁是当前的Class对象
修饰方法代码块，对于同步方法块，锁是synchronized括号里面配置的对象！

当一个线程试图访问同步代码块的时候，就必须得到锁，完成后(或者出现异常)，就必须释放锁。那么锁究竟存在什么地方呢？我们一块来探究！

不过，相信，既然大家能够找到这篇文章，相信大家对他的使用早已了熟于心，我们对于使用，以及为什么多线程情况下，数据会出现错乱情况，不做详细的解释！只把他的几种使用方式列出，供参考！

立即学习“Java免费学习笔记（深入）”；

①修饰实例方法

修饰实例方法，对于普通同步方法，锁是当前的实例对象

这个没得说，使用的同一个实例，添加上synchronized后，线程需要排队，完成一个原子操作，但是注意前提是使用的同一个实例，他才会生效！

正例：

/**
 * @author huangfu
 */
public class ExploringSynchronized implements Runnable {
    /**
     * 共享资源(临界资源)
     */
    static int i=0;
    public synchronized void add(){
        i++;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 100000; j++) {
            add();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExploringSynchronized exploringSynchronized = new ExploringSynchronized();
        Thread t1 = new Thread(exploringSynchronized);
        Thread t2 = new Thread(exploringSynchronized);
        t1.start();
        t2.start();
        //join 主线程需要等待子线程完成后在结束
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);

    }
}

反例：

/**
 * @author huangfu
 */
public class ExploringSynchronized implements Runnable {
    /**
     * 共享资源(临界资源)
     */
    static int i=0;
    public synchronized void add(){
        i++;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 100000; j++) {
            add();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new ExploringSynchronized());
        Thread t2 = new Thread(new ExploringSynchronized());
        t1.start();
        t2.start();
        //join 主线程需要等待子线程完成后在结束
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);

    }
}

这种，即使你在方法上加上了synchronized也无济于事，因为，对于普通同步方法，锁是当前的实例对象！实例对象都不一样了，那么他们之间的锁自然也就不是同一个！

②修饰静态方法

修饰静态方法，对于静态同步方法，锁是当前的Class对象

从定义上可以看出来，他的锁是类对象，那么也就是说，以上面那个类为例：普通方法的锁对象是 new ExploringSynchronized()而静态方法对应的锁对象是ExploringSynchronized.class所以对于静态方法添加同步锁，即使你重新创建一个实例，它拿到的锁还是同一个！

package com.byit.test;

/**
 * @author huangfu
 */
public class ExploringSynchronized implements Runnable {
    /**
     * 共享资源(临界资源)
     */
    static int i=0;
    public synchronized static void add(){
        i++;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 100000; j++) {
            add();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new ExploringSynchronized());
        Thread t2 = new Thread(new ExploringSynchronized());
        t1.start();
        t2.start();
        //join 主线程需要等待子线程完成后在结束
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);

    }
}

当然，结果是我们期待的 200000

③修饰方法代码块

修饰方法代码块，对于同步方法块，锁是synchronized括号里面配置的对象！

package com.byit.test;

/**
 * @author huangfu
 */
public class ExploringSynchronized implements Runnable {
    /**
     * 锁标记
     */
    private static final String LOCK_MARK = "LOCK_MARK";
    /**
     * 共享资源(临界资源)
     */
    static int i=0;
    public void add(){
        synchronized (LOCK_MARK){
            i++;
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 100000; j++) {
            add();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(new ExploringSynchronized());
        Thread t2 = new Thread(new ExploringSynchronized());
        t1.start();
        t2.start();
        //join 主线程需要等待子线程完成后在结束
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);

    }
}

对于同步代码块，括号里面是什么，锁对象就是什么，里面可以使用this 字符串对象等等！

二、synchronized的底层实现

java中synchronized的实现是基于进入和退出的 Monitor对象实现的，无论是显式同步（修饰代码块，有明确的monitorenter和 monitorexit指令）还是隐式同步(修饰方法体)！

需要注意的是，只有修饰代码块的时候，才是基于monitorenter和 monitorexit指令来实现的；修饰方法的时候，是通过另一种方式实现的！我会放到后面去说！

在了解整个实现底层之前，我还是希望你能够大致了解一下对象在内存中的结构详情！

java中的synchronized是什么

实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。
填充数据：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐，这点了解即可。

这两个概念，我们简单理解就好！我们今天并不去探究对象的构成原理！我们着重探究一下对象头，他对我们理解锁尤为重要！

一般而言，synchronized使用的锁存在于对象头里面！如果是数组对象，则虚拟机使用3个字宽存储对象，如果是非数组对象，则使用两个字宽存储对象头！字虚拟机里面1字宽等于4字节！主要结构是 Mark Word 和 Class Metadata Address组成,结构如下：

虚拟机位数	头对象结构	说明
32/64bit	Mark Word	存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息
32/64bit	Class Metadata Address	存储到队形类型数据的指针
32/64bit(数组)	Aarray length	数组的长度

通过上述表格能够看出 锁信息 存在于 Mark Word 内，那么 Mark Word 内又是如何组成的呢？

锁状态	25bit	4bit	1bit是否是偏向锁	2bit锁标志位
无锁状态	对象的hashcode	对象的分代年龄	0	01

在运行起见，mark Word 里存储的数据会随着锁的标志位的变化而变化。mark Word可能变化为存储一下四种数据

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java中的synchronized是什么

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的消耗，引入了偏向锁和轻量级锁，从之前上来就是重量级锁到1.6之后，锁膨胀升级的优化，极大地提高了synchronized的效率；

锁一共有4中状态，级别从低到高：

java中的synchronized是什么

这几个状态会随着锁的竞争，逐渐升级。锁可以升级，但是不能降级，其根本的原因就是为了提高获取锁和释放锁的效率！

那么，synchronized是又如何保证的线程安全的呢？或许我们需要从字节码寻找答案！

package com.byit.test;

/**
 * @author Administrator
 */
public class SynText {
    private static String A = "a";
    public int i ;

    public void add(){
        synchronized (A){
            i++;
        }

    }
}

反编译的字节码

Compiled from "SynText.java"
public class com.byit.test.SynText {
  public int i;

  public com.byit.test.SynText();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: return

  public void add();
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field A:Ljava/lang/String;
       3: dup
       4: astore_1
       5: monitorenter
       6: aload_0
       7: dup
       8: getfield      #3                  // Field i:I
      11: iconst_1
      12: iadd
      13: putfield      #3                  // Field i:I
      16: aload_1
      17: monitorexit
      18: goto          26
      21: astore_2
      22: aload_1
      23: monitorexit
      24: aload_2
      25: athrow
      26: return
    Exception table:
       from    to  target type
           6    18    21   any
          21    24    21   any

  static {};
    Code:
       0: ldc           #4                  // String a
       2: putstatic     #2                  // Field A:Ljava/lang/String;
       5: return
}

省去不必要的，简化在简化

   5: monitorenter
      ...
      17: monitorexit
      ...
      23: monitorexit

从字节码中可知同步语句块的实现使用的是monitorenter和 monitorexit指令，其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置,当执行monitorenter指令的时候，线程将试图获取对象所所对应的monitor特权，当monitor的的计数器为0的时候，线程就可以获取monitor,并将计数器设置为1.去锁成功！如果当前线程已经拥有monitor特权，则可以直接进入方法（可重入锁），计数器+1；如果其他线程已经拥有了monitor特权，那么本县城将会阻塞！

拥有monitor特权的线程执行完成后释放monitor，并将计数器设置为0；同时执行monitorexit指令；不要担心出现异常无法执行monitorexit指令；为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令，它就是异常结束时被执行的释放monitor 的指令。

同步代码块的原理了解了，那么同步方法如何解释？不急，我们不妨来反编译一下同步方法的状态！

javap -verbose -p SynText > 3.txt

代码

package com.byit.test;

/**
 * @author huangfu
 */
public class SynText {
    public int i ;

    public synchronized void add(){
        i++;

    }
}

字节码

Classfile /D:/2020project/byit-myth-job/demo-client/byit-demo-client/target/classes/com/byit/test/SynText.class
  Last modified 2020-1-6; size 382 bytes
  MD5 checksum e06926a20f28772b8377a940b0a4984f
  Compiled from "SynText.java"
public class com.byit.test.SynText
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#17         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Fieldref           #3.#18         // com/byit/test/SynText.i:I
   #3 = Class              #19            // com/byit/test/SynText
   #4 = Class              #20            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               i
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/byit/test/SynText;
  #14 = Utf8               syncTask
  #15 = Utf8               SourceFile
  #16 = Utf8               SynText.java
  #17 = NameAndType        #7:#8          // "":()V
  #18 = NameAndType        #5:#6          // i:I
  #19 = Utf8               com/byit/test/SynText
  #20 = Utf8               java/lang/Object
{
  public int i;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC

  public com.byit.test.SynText();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/byit/test/SynText;

  public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    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 10: 0
        line 11: 10
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      11     0  this   Lcom/byit/test/SynText;
}
SourceFile: "SynText.java"

简化，在简化

 public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup

我们能够看到 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED这样的一句话

从字节码中可以看出，synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。这便是synchronized锁在同步代码块和同步方法上实现的基本原理。

那么在JAVA6之前，为什么synchronized会如此的慢？

那是因为，操作系统实现线程之间的切换需要系统内核从用户态切换到核心态!这个状态之间的转换，需要较长的时间，时间成本高！所以这也就是synchronized慢的原因！

三、锁膨胀的过程

在这之前，你需要知道什么是锁膨胀！他是JAVA6之后新增的一个概念！是一种针对之前重量级锁的一种性能的优化！他的优化，大部分是基于经验上的一些感官，对锁来进行优化！

①偏向锁

研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且还总是由一条线程获得！因为为了减少锁申请的次数！引进了偏向锁！在没有锁竞争的情况下，如果一个线程获取到了锁，那么锁就进入偏向锁的模式！当线程再一次请求锁时，无需申请，直接获取锁，进入方法！但是前提是没有锁竞争的情况，存在锁竞争，锁会立即膨胀，膨胀为轻量级锁！

②轻量级锁

偏向锁失败，那么锁膨胀为轻量级锁！此时锁机构变为轻量级锁结构！他的经验依据是：“绝大多数情况下，在整个同步周期内，不会存在锁的竞争”，故而，轻量级锁适合，线程交替进行的场景！如果在同一时间出现两条线程对同一把锁的竞争，那么此时轻量级锁就不会生效了！但是，jdk官方为了是锁的优化性能更好，轻量级锁失效后，并不会立即膨胀为重量级锁！而是将锁转换为自旋锁状态！

③自旋锁

轻量级锁失败后，为了是避免线程挂起，引起内核态的切换！为了优化，此时线程会进入自选状态！他可能会进行几十次，上百次的空轮训！为什么呢？又是经验之谈！他们认为，大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长！做几次空轮训，就能大概率的等待到锁！事实证明，这种优化方式确实有效！最后如果实在等不到锁！没办法，才会彻底升级为重量级锁！

④锁消除

jvm在进行代码编译时，会基于上下文扫描；将一些不可能存在资源竞争的的锁给消除掉！这也是JVM对于锁的一种优化方式！不得不感叹，jdk官方的脑子！举个例子！在方法体类的局部变量对象，他永远也不可能会发生锁竞争，例如：

/**
 * @author huangfu
 */
public class SynText {
    public static void add(String name1 ,String name2){
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(name1).append(name2);
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            add("w"+i,"q"+i);
        }
    }
}

不能否认，StringBuffer是线程安全的！但是他永远也不会被其他线程引用！故而，锁失效！故而，被消除掉！

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