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 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() {
...
throw new RuntimeException();
}
public synchronized void method8() {
common();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 同 2
}
结果为：
我是抛出异常的加锁方法，我叫 thread---------1
我是没有异常的加锁方法，我叫 thread---------2
Exception in thread "thread---------1" java.lang.RuntimeException
at com.marksman.theory2practicehighconcurrency.synchronizedtest.SynchronizedException9.method1(SynchronizedException9.java:29)
at com.marksman.theory2practicehighconcurrency.synchronizedtest.SynchronizedException9.run(SynchronizedException9.java:15)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
thread---------2 运行结束
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: goto 14
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标记来控制的，但本质上也是通过monitorenter和monitorexit指令控制的。
对象头
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
www.processon.com/diagraming/…
参考 《咕泡学院公开课》 提取码：s6vx
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
| 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。 |
