深入理解Java并发之synchronized实现原理

最新推荐文章于 2023-05-14 19:54:46 发布

apriaaaa

最新推荐文章于 2023-05-14 19:54:46 发布

阅读量140

点赞数

分类专栏：个人笔记

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/apriaaaa/article/details/103647107

版权

个人笔记专栏收录该内容

124 篇文章

订阅专栏

线程安全是并发编程中的重要关注点，应该注意到的是，造成线程安全问题的主要诱因有两点，一是存在共享数据(也称临界资源)，二是存在多条线程共同操作共享数据。

synchronized的三种应用方式

synchronized关键字最主要有以下3种应用方式，下面分别介绍

修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁

修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

synchronized作用于实例方法

public class AccountingSync implements Runnable{
    //共享资源(临界资源)
    static int i=0;

    /**
     * synchronized 修饰实例方法
     */
    public synchronized void increase(){
        i++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AccountingSync instance=new AccountingSync();
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
    /**
     * 输出结果:
     * 2000000
     */
}

new 了一个对象，那么1、2线程使用的是同一个锁，可以保证1、2线程同时只有一个线程取到了锁并进行操作，那么结果是正确的，共享数据是安全的。

public class AccountingSyncBad implements Runnable{
    static int i=0;
    public synchronized void increase(){
        i++;
    }
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //new新实例
        Thread t1=new Thread(new AccountingSyncBad());
        //new新实例
        Thread t2=new Thread(new AccountingSyncBad());
        t1.start();
        t2.start();
        //join含义:当前线程A等待thread线程终止之后才能从thread.join()返回
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

上述代码与前面不同的是我们同时创建了两个新实例AccountingSyncBad，然后启动两个不同的线程对共享变量i进行操作，但很遗憾操作结果是1452317而不是期望结果2000000，因为上述代码犯了严重的错误，虽然我们使用synchronized修饰了increase方法，但却new了两个不同的实例对象，这也就意味着存在着两个不同的实例对象锁，因此t1和t2都会进入各自的对象锁，也就是说t1和t2线程使用的是不同的锁，因此线程安全是无法保证的。解决这种困境的的方式是将synchronized作用于静态的increase方法，这样的话，对象锁就当前类对象，由于无论创建多少个实例对象，但对于的类对象拥有只有一个，所有在这样的情况下对象锁就是唯一的。下面我们看看如何使用将synchronized作用于静态的increase方法。

synchronized作用于静态方法

当synchronized作用于静态方法时，其锁就是当前类的class对象锁。由于静态成员不专属于任何一个实例对象，是类成员，因此通过class对象锁可以控制静态成员的并发操作。需要注意的是如果一个线程A调用一个实例对象的非static synchronized方法，而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的class对象，而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁，看如下代码

public class AccountingSyncClass implements Runnable{
    static int i=0;

    /**
     * 作用于静态方法,锁是当前class对象,也就是
     * AccountingSyncClass类对应的class对象
     */
    public static synchronized void increase(){
        i++;
    }

    /**
     * 非静态,访问时锁不一样不会发生互斥
     */
    public synchronized void increase4Obj(){
        i++;
    }

    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){
            increase();
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //new新实例
        Thread t1=new Thread(new AccountingSyncClass());
        //new心事了
        Thread t2=new Thread(new AccountingSyncClass());
        //启动线程
        t1.start();t2.start();

        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

由于synchronized关键字修饰的是静态increase方法，与修饰实例方法不同的是，其锁对象是当前类的class对象。注意代码中的increase4Obj方法是实例方法，其对象锁是当前实例对象，如果别的线程调用该方法，将不会产生互斥现象，毕竟锁对象不同，但我们应该意识到这种情况下可能会发现线程安全问题(操作了共享静态变量i)。

synchronized同步代码块

除了使用关键字修饰实例方法和静态方法外，还可以使用同步代码块，在某些情况下，我们编写的方法体可能比较大，同时存在一些比较耗时的操作，而需要同步的代码又只有一小部分，如果直接对整个方法进行同步操作，可能会得不偿失，此时我们可以使用同步代码块的方式对需要同步的代码进行包裹，这样就无需对整个方法进行同步操作了，同步代码块的使用示例如下：

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    @Override
    public void run() {
        //省略其他耗时操作....
        //使用同步代码块对变量i进行同步操作,锁对象为instance
        synchronized(instance){
            for(int j=0;j<1000000;j++){
                    i++;
              }
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

从代码看出，将synchronized作用于一个给定的实例对象instance，即当前实例对象就是锁对象，每次当线程进入synchronized包裹的代码块时就会要求当前线程持有instance实例对象锁，如果当前有其他线程正持有该对象锁，那么新到的线程就必须等待，这样也就保证了每次只有一个线程执行i++;操作。当然除了instance作为对象外，我们还可以使用this对象(代表当前实例)或者当前类的class对象作为锁，如下代码：

//this,当前实例对象锁
synchronized(this){
    for(int j=0;j<1000000;j++){
        i++;
    }
}

//class对象锁
synchronized(AccountingSync.class){
    for(int j=0;j<1000000;j++){
        i++;
    }
}

理解Java对象头与Monitor

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。如下：

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。

而对于顶部，则是Java头对象，它实现synchronized的锁对象的基础，这点我们重点分析它，一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的，jvm中采用2个字来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)，其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address 组成，其结构说明如下表：
由此看来，monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因(关于这点稍后还会进行分析)，ok~，有了上述知识基础后，下面我们将进一步分析synchronized在字节码层面的具体语义实现。

每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

Java虚拟机对synchronized的优化

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级，关于重量级锁，前面我们已详细分析过，下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段，这里并不打算深入到每个锁的实现和转换过程更多地是阐述Java虚拟机所提供的每个锁的核心优化思想，毕竟涉及到具体过程比较繁琐，如需了解详细过程可以查阅《深入理解Java虚拟机原理》。

关于synchronized 可能需要了解的关键点

synchronized的可重入性

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。如下：

线程中断与synchronized

线程中断

正如中断二字所表达的意义，在线程运行(run方法)中间打断它，在Java中，提供了以下3个有关线程中断的方法

//中断线程（实例方法）
public void Thread.interrupt();

//判断线程是否被中断（实例方法）
public boolean Thread.isInterrupted();

//判断是否被中断并清除当前中断状态（静态方法）
public static boolean Thread.interrupted();

public class InterruputSleepThread3 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                //while在try中，通过异常中断就可以退出run循环
                try {
                    while (true) {
                        //当前线程处于阻塞状态，异常必须捕捉处理，无法往外抛出
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("Interruted When Sleep");
                    boolean interrupt = this.isInterrupted();
                    //中断状态被复位
                    System.out.println("interrupt:"+interrupt);
                }
            }
        };
        t1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        //中断处于阻塞状态的线程
        t1.interrupt();

        /**
         * 输出结果:
           Interruted When Sleep
           interrupt:false
         */
    }
}

中断与synchronized

事实上线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用，也就是对于synchronized来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种，要么它获得这把锁继续执行，要么它就保存等待，即使调用中断线程的方法，也不会生效。演示代码如下

等待唤醒机制与synchronized

所谓等待唤醒机制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。

synchronized (obj) {
       obj.wait();
       obj.notify();
       obj.notifyAll();
}

需要特别理解的一点是，与sleep方法不同的是wait方法调用完成后，线程将被暂停，但wait方法将会释放当前持有的监视器锁(monitor)，直到有线程调用notify/notifyAll方法后方能继续执行，而sleep方法只让线程休眠并不释放锁。同时notify/notifyAll方法调用后，并不会马上释放监视器锁，而是在相应的synchronized(){}/synchronized方法执行结束后才自动释放锁。