Java synchronized学习

简介

synchronized修饰符是Java提供的多线程访问临界资源的同步器，一般我们有三种使用方式：

1. 对类的静态方法加锁
2. 对类的一般方法加锁
3. 对代码块加锁

静态方法加锁

静态方法是属于类的，所以这种加锁实际上对类进行加锁，加锁对象为class。
如果一个类有多个静态方法加锁，如下面代码，test和test1加锁，一个线程访问test，其他线程想要访问test1或者test都会被阻塞。

public class Juc_LockOnClass{
  public static synchronized void test(){
        System.out.println("静态方法加锁");
    }
  public static synchronized void test1(){
        System.out.println("静态方法加锁1");
    }
}

一般方法加锁

一般方法加锁实际是对this加锁。当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，其他线程对object中所有其它synchronized(this)同步代码块的访问将被阻塞。

public class Juc_LockOnThisObject {
    public synchronized void test(){
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(this).toPrintable());
    }
}

实现原理

同步方法，方法访问标志上添加ACC_SYNCHRONIZED 标志。

代码块加锁

对代码块的加锁需要单独创建一个对象充当锁。
如下代码，method1和method2使用不同的对象加锁，method1和method3使用相同的对象加锁。
如果有一个线程1执行method1，其他线程可以执行method2，在尝试执行method3时会阻塞。

public class Juc_LockAppend {

    Object object = new Object();
    Object object1 = new Object();
    private void method1(){
        synchronized (object){
            System.out.println("代码块加锁1");
        }
    }
    private void method2(){
        synchronized (object1){
            System.out.println("代码块加锁2");
        }
    }
    private void method3(){
        synchronized (object){
            System.out.println("代码块加锁3");
        }
    }
}

实现原理

同步代码块的前面添加monitorenter，之后添加monitorexit指令。

Monitor对象

Monitor对象存在于每个Java对象的对象头Mark Word中（存储的指针的指向），Synchronized锁便是通过这种方式获取锁的。

对象内存布局

1. 对象头（Header）

比如 hash码，对象所属的年代，对象锁，锁状态标志，偏向锁（线程）ID，偏向时间，数组长度（数组对象）等。
Java对象头一般占有2个机器码（在32位虚拟机中，1个机器码等于4字节，也就是32bit，在64位虚拟机中，1个机器码是8个字节，也就是64bit），但是 如果对象是数组类型，则需要3个机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块来记录数组长度。

2. 实例数据（Instance Data）

存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息。

3. 对齐填充（Padding）

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。

锁的升级过程

偏向锁

线程获取到锁，就转为偏向锁，会把线程ID CAS设置为当前线程id，下次该线程重入的时候，就可以直接判断id。
如果有其他线程竞争锁，就会进入轻量级锁。

轻量级锁

线程在获取到轻量级锁以后，会在线程栈建立一个锁记录的空间，将对象头的markword拷贝到该空间（CAS操作），如果失败，就会膨胀。

自旋锁

如果轻量级锁失败，线程会先做几个空循环（自旋），如果在自旋时间内获取到了锁，就开始执行，如果没有获取到锁，就进入到重量级锁。

重量级锁

重量级锁是通过对象内部的一个叫做监视器锁（monitor）来实现的，监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的。而操作系统实现线程之间的切换需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。

锁消除

如果虚拟机开启了逃逸分析，发现加锁代码不会被一个以上线程访问，会消除这种没有必要的锁。

逃逸分析优化

1. 同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
2. 将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分配。
3. 分离对象或标量替换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。