Java并发学习(二)之 Synchronized

本文详细解析了Java中Synchronized关键字的原理与应用,包括锁机制的互斥性和可见性,不同使用方式如同步方法和代码块,以及锁的类型如对象锁和类锁。深入探讨了synchronized的底层实现,如monitor对象的作用,锁升级过程,以及JVM对synchronized的优化策略。

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上一个文章中我们讲到了并发的三个特性,现在来看一看一个中要的特性 Synchronized

一 概念

是利用锁机制来同步的。锁机制有两个特性 互斥性可见性

互斥性 : 同一时间只允许一个线程持有某个对象,通过这种特性来实现多线程同的协调机制,这样同一时间只有一个线程对需要同步的代码块进行访问。互斥性我们往往也成为原子性

可见性: 必须保证线程在释放锁之前,对共享变量所做的修改,对于后来获得锁的线程是可见的(即在获得锁的同时获取共享变量的最新数据),否则另外一个线程可能是在本地缓存的某个副本上继续操作,引起不一致性。

 

二 Synchronized的用法

根据修饰对象分类

1 同步方法

   (1)同步非静态方法

       public synchronized void methodName(){

                 ..........

}

     (2)同步静态方法

       public synchronized static void methodName(){

                 ..........

}

2 同步代码块

  synchronized(this){ .....}

  synchronized(类.class){.... }

 根据获取的锁分类

 1 获取对象锁

   synchronized(this|obiect){....}

  修饰非静态方法

   在java中,每个对象都会有一个monitor对象,这个对象其实就是java对象的锁,通常会被成为“内置锁”或“对象锁”。类的对象可以有多个,所以每个对象有其独立的对象锁,互不干扰。

 2 获取类锁

  synchronized(类.class){.....}

   修饰静态方法

   在java中,针对每个类也有一个锁,可以成为类锁,类锁实际上是通过对象锁实现的,即类的Class对象锁。每个类只有一个Class对象,所以每个类只有一个类锁。

在java中,每个对象都会有一个monitor对象,监视器

  1)某一个线程占有这个对象时,先判断monitor的计数器是不是0,如果时0还没有线程占有,这个时候线程占有这个对象,并且对这个对象的monitor+1,如果不为0,表示这个对象已经被其他线程占有,这个线程等待。当线程释放占有权的时候,monitor-1.

 2) 同一个线程可以对同一个对象进行多次加锁,每加一次锁则monitor+1, 重入性(重入锁)

 

三  synchronized原理分析

1 线程堆栈分析(互斥)

 在项目中启动多个线程并让它休眠,找到安装jdk目录的bin目录,打开lconsole

线程0处于等待状态 而线程1处于阻塞状态。

在命令行使用 jstack + pid  ( jstack 19016)

得到下图

 也可以查看到线程的相关信息

2 JVM指令分析

找到存放文件的路径  javap -v +类名对.class文件进行反编译

Monitor 

  (1)   monitor为0时,线程可以占有对象并加锁

(2) 重入

(3) monitor 一个线程占有,其他线程请求会进入BOLCK,直到monitor为0 

Monitorenter 计数器减一,为0时解锁

Monitorenter : 互斥入口   (monitorenter和对象关联)

Monitorexit :  互斥出口

 

以上是对代码块加锁。。。。。。。。Monitorenter和Monitorexit 配合使用

对方法加锁

 ACC_SYNCHRONIZED  (互斥标志)

 

3 使用synchronized注意问题

 (1)与monitor关联对象不能为空

 (2)synchronized作用域不能太大

 (3)不同monitor企图锁相同方法

 (4)多个锁交叉导致死锁

java虚拟机对synchronized的优化 

在1.6以前 synchronized只有重量锁

后来有了一下的一些锁,但是在默认下synchronized默认为重量级锁。

偏量锁  

轻量锁

重量级锁(等待时间长)

对象头与monitor

 一个对象实例包含了 对象头,实例变量,填充数据。

   
对象头 : 加锁基础。

    mark word :存储对象的hashcode或锁信息

    klass word : 存储对象类型数据指针

    数组长度  :  数组的长度

实例变量:属性变量的信息

填充数据:存储对象的起始地址。

无锁状态 : 没有加锁 锁的标志位01  通过是否偏向是为0表示无锁

偏向锁 : 在对象第一次被某一线程占有的时候,把是否偏向锁置为1 ,写入线程id。当第一次占有对象的线程和其他的线程同时访问该对象的时候,会出现竞争。但大概率会偏向第一次占有的线程(类似与权重,第一次占有的几率大于其他线程)。如果由第一次占有的线程竞争失败则会由偏向锁升级到轻量级锁。

 为了改进这种偏向与第一次线程的现象,采用了 CAS(compare and set)算法.

 竞争不激烈的时候适用。

 偏向锁消耗的时候和无锁状态下消耗时间十分接近。

轻量级锁 : 线程有交替适用, 互斥性不是很强的时候适用。使用CAS算法竞争失败后,把锁标志置为00,锁由偏向锁升级为轻量级锁。

重量级锁  : 强互斥性 等待时间长。

  锁级别间转化非常耗费时间

自旋锁 : 当竞争失败的时候,不是马上转换锁的级别,而是执行几次空循环。等待线程锁的释放。

锁消除 : JIT在编译的时候把不必要的锁去掉。

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MPU6050是一款广泛应用在无人机、机器人和运动设备中的六轴姿态传感器,它集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计。这款传感器能够实时监测并提供设备的角速度和线性加速度数据,对于理解物体的动态运动状态至关重要。在Arduino平台上,通过特定的库文件可以方便地与MPU6050进行通信,获取并解析传感器数据。 `MPU6050.cpp`和`MPU6050.h`是Arduino库的关键组成部分。`MPU6050.h`是头文件,包含了定义传感器接口和函数声明。它定义了类`MPU6050`,该类包含了初始化传感器、读取数据等方法。例如,`begin()`函数用于设置传感器的工作模式和I2C地址,`getAcceleration()`和`getGyroscope()`则分别用于获取加速度和角速度数据。 在Arduino项目中,首先需要包含`MPU6050.h`头文件,然后创建`MPU6050`对象,并调用`begin()`函数初始化传感器。之后,可以通过循环调用`getAcceleration()`和`getGyroscope()`来不断更新传感器读数。为了处理这些原始数据,通常还需要进行校准和滤波,以消除噪声和漂移。 I2C通信协议是MPU6050与Arduino交互的基础,它是一种低引脚数的串行通信协议,允许多个设备共享一对数据线。Arduino板上的Wire库提供了I2C通信的底层支持,使得用户无需深入了解通信细节,就能方便地与MPU6050交互。 MPU6050传感器的数据包括加速度(X、Y、Z轴)和角速度(同样为X、Y、Z轴)。加速度数据可以用来计算物体的静态位置和动态运动,而角速度数据则能反映物体转动的速度。结合这两个数据,可以进一步计算出物体的姿态(如角度和角速度变化)。 在嵌入式开发领域,特别是使用STM32微控制器时,也可以找到类似的库来驱动MPU6050。STM32通常具有更强大的处理能力和更多的GPIO口,可以实现更复杂的控制算法。然而,基本的传感器操作流程和数据处理原理与Arduino平台相似。 在实际应用中,除了基本的传感器读取,还可能涉及到温度补偿、低功耗模式设置、DMP(数字运动处理器)功能的利用等高级特性。DMP可以帮助处理传感器数据,实现更高级的运动估计,减轻主控制器的计算负担。 MPU6050是一个强大的六轴传感器,广泛应用于各种需要实时运动追踪的项目中。通过 Arduino 或 STM32 的库文件,开发者可以轻松地与传感器交互,获取并处理数据,实现各种创新应用。博客和其他开源资源是学习和解决问题的重要途径,通过这些资源,开发者可以获得关于MPU6050的详细信息和实践指南
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