《蹲坑也能进大厂》多线程系列-synchronized深入原理终结篇

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作者：JavaGieGie

微信公众号：Java开发零到壹

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《蹲坑也能进大厂》多线程系列文章

前言

上篇在synchronized精讲中，我们讲解了synchronized的用法、注意项等知识点，但知道用法只是基础，如果想要拿到更高的工资、更好的岗位，了解它的实现原理也是很重要的加分项，本章学习的意义非常重要。

本节主要讲解以下几个内容：

synchronized有哪些特性？
synchronized的实现原理？
synchronized的作用？
synchronized的缺陷？

正文

synchronized有哪些性质？

可重入性

定义：可重入是指同一个线程当外层函数获取到锁时，内层函数可以直接再次获取该锁。

看不懂没关系，我们先来看一个例子。

前一篇文章我们说过一妻多夫的生活案例（没有看过的小伙伴建议先看前一篇），小伙伴们想一下，假设兄弟四人中老大先拿到这块砖（锁），那么他当天就有资格进入房间（同步方法/代码块），这没毛病，毕竟早起的鸟儿有虫吃。在老大持有这块砖的过程中，他可以在房间随意走动，他甚至可以去厕所、浴室，卧室等等，并且都不需要再重新去获取那块砖（锁）。

这就叫可重入，一旦线程获取到对象锁（砖），再去访问该对象锁的所有同步方法（浴室、卧室）时，就不用再去重新竞争锁资源。

可能还有聪明的小伙伴觉得不够清晰，这里花Gie用 代码进行演示

//方法一
public synchronized void testSync1(){
    System.out.println("我进来了方法1");
    testSync1();
}

public static void main(String[] args) {
    new SyncDemo().testSync1();
}

运行过这段代码的小伙伴是不是惊喜的发现了什么呢，是不是一直到把IDEA跑崩了，它才结束程序。

这就可以得出可重入的第一个结论，线程获取到锁后，可以重复进入同一个方法。

那如果是调用不同的synchronized方法呢

public synchronized void testSync1(){
    System.out.println("我进来了方法1");
    testSync2();
}

public synchronized void testSync2(){
    System.out.println("我进来了方法2");
}

结果也很明显，依然可以 调用成功

从而得到的另一个结论：获取到锁的线程，可以进入同一个对象的不同synchronized方法。

不可中断性

一旦锁被某个线程获取，其他线程再想进入同步方法/代码块，就只能等待，直到持有锁的那个线程释放这个锁，如果一直不释放这个锁，那么其他线程只能一直等待下去。

synchronized释放锁方式：1. 正常结束 ; 2. 抛出异常

这个比较容易理解，如例子中老大获取到锁后，只要他不主动让出那块砖，他就可以一直待在房间中，其他兄弟毫无办法，只能干瞪眼。

好气啊1.gif

synchronized的实现原理？

synchronized并不需要我们手动加锁、释放锁，因此想要分析原理的话，需要反解析class文件进行查看。

反解析操作流程拓展：

找到java文件路径，使用 javac 文件.java，将java文件编译成class文件；
使用javap -c -v命令进行反解析，便可以查看到解析后的内容

先看一下第一个例子，使用synchronized修饰代码块

public synchronized void testSync2(){
    synchronized (this){

    }
}

反解析后的内容如下：

从上面的内容我们可以看到，JVM采用monitorenter、monitorexit这两个指令来实现线程同步。

可以把monitorenter理解为加锁操作，monitorexit则是 释放锁。每个对象都会维护一个计数器，当一个线程获取到锁（执行monitorenter）后，计数器加1；释放锁后（执行monitorexit指令），计数器减1，当计数器的值为 0时，该对象锁被释放，其他等待中的线程开始竞争该锁。

从图中的标记我们可以看到，monitorexit被执行了两次，这是什么原因呢？

因为编译器要保证线程调用完monitorenter指令后，都要执行与其对应的 monitorexit 指令。为了保证在程序发生异常时二者仍然能够保持匹配，编译器会设置一个异常处理器，用于执行异常时的 monitorexit 指令。这样锁也能被正常释放，也不会导致死锁。图中最后一行monitorexit指令，就是异常结束时**，**被用来释放monitor的。

第二个例子，使用synchronized修饰方法

public synchronized void testSync1(){

}

同样反解析后看下是什么内容

没想到吧，是不是有那么一瞬间你觉得自己啥都会了，monitorenter指令、monitorexit指令一个都没有

嘲笑.jpg

这是为什么，是不是百思不得其姐，就让花Gie科普一下吧

方法级的同步是隐式的，也就是说不需要通过字节码指令来控制的。JVM通过 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来区分一个方法是否是同步方法。

当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，说明该方法为同步方法，请求的线程需要先获取monitor（监视器锁），然后才能执行方法，在方法执行后再释放monitor。方法执行期间，其他任何线程因为无法获得monitor而处于阻塞状态。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那么在异常被抛到方法外面之前监视器锁会被自动释放。

synchronized的作用？

分析完原理，现在再来看下synchronized的作用，理解起来就有据可依了，synchronized的作用主要有以下三个：

原子性：一个操作或者多个操作要么全部执行完成，要么都不执行。Java内存模型提供了monitorenter和monitorexit指令来隐式的实现原子操作，从而实现线程之间互斥的访问同步代码块，将多个小原子操作合成大原子。
可见性：当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了该变量的值，其他线程能够立即看得到修改后的值。synchronized 解锁之前，必须将工作内存中的数据同步到主内存，因此在解锁后，其它线程操作该变量时每次都可以看到被修改后的值。
有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。这其实和 as-if-serial 有关。
拓展：来自《Java并发编程的艺术》书籍：

什么是as-if-serial语义：不管怎么重排序，单线程程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。所以编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。
```
double pi  = 3.14;           // A
double r   = 1.0;            // B
double area = pi * r * r;    // C
```
上面3个操作的数据依赖关系如图所示：

A和C之间存在数据依赖关系，同时B和C之间也存在数据依赖关系。因此在最终执行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面(因为C排到A和B的前面，程序的结果将会被改变)。但A和B之间没有数据依赖关系，编译器和处理器可以重排序A和B之间的执行顺序。

as-if-serial语义把单线程程序保护了起来，遵守as-if-serial语义的编译器、runtime和处理器共同为编写单线程程序的程序员创建了一个幻觉：单线程程序是按程序的顺序来执行的。