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Java并发编程 Synchronized及其实现原理

發(fā)布時間：2025/3/21 java 20 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Java并发编程 Synchronized及其实现原理小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

Synchronized是Java中解決并發(fā)問題的一種最常用的方法，也是最簡單的一種方法。Synchronized的作用主要有三個：（1）確保線程互斥的訪問同步代碼（2）保證共享變量的修改能夠及時可見（3）有效解決重排序問題。

Java中每一個對象都可以作為鎖，這是synchronized實現(xiàn)同步的基礎：

1、普通同步方法，鎖是當前實例對象

public?class?SynchronizedTest {

?4?????public?synchronized?void?method1(){

?5?????????System.out.println("Method 1 start");

?6?????????try?{

?7?????????????System.out.println("Method 1 execute");

?8?????????????Thread.sleep(3000);

?9?????????}?catch?(InterruptedException e) {

10?????????????e.printStackTrace();

11?????????}

12?????????System.out.println("Method 1 end");

13?????}

15?????public?synchronized?void?method2(){

16?????????System.out.println("Method 2 start");

17?????????try?{

18?????????????System.out.println("Method 2 execute");

19?????????????Thread.sleep(1000);

20?????????}?catch?(InterruptedException e) {

21?????????????e.printStackTrace();

22?????????}

23?????????System.out.println("Method 2 end");

24?????}

26?????public?static?void?main(String[] args) {

27?????????final?SynchronizedTest test =?new?SynchronizedTest();

29?????????new?Thread(new?Runnable() {

30?????????????@Override

31?????????????public?void?run() {

32?????????????????test.method1();

33?????????????}

34?????????}).start();

36?????????new?Thread(new?Runnable() {

37?????????????@Override

38?????????????public?void?run() {

39?????????????????test.method2();

40?????????????}

41?????????}).start();

42?????}

43?}

2、靜態(tài)同步方法，鎖是當前類的class對象

public?class?SynchronizedTest {

?4??????public?static?synchronized?void?method1(){

?5??????????System.out.println("Method 1 start");

?6??????????try?{

?7??????????????System.out.println("Method 1 execute");

?8??????????????Thread.sleep(3000);

?9??????????}?catch?(InterruptedException e) {

10??????????????e.printStackTrace();

11??????????}

12??????????System.out.println("Method 1 end");

13??????}

14?

15??????public?static?synchronized?void?method2(){

16??????????System.out.println("Method 2 start");

17??????????try?{

18??????????????System.out.println("Method 2 execute");

19??????????????Thread.sleep(1000);

20??????????}?catch?(InterruptedException e) {

21??????????????e.printStackTrace();

22??????????}

23??????????System.out.println("Method 2 end");

24??????}

25?

26??????public?static?void?main(String[] args) {

27??????????final?SynchronizedTest test =?new?SynchronizedTest();

28??????????final?SynchronizedTest test2 =?new?SynchronizedTest();

29?

30??????????new?Thread(new?Runnable() {

31??????????????@Override

32??????????????public?void?run() {

33??????????????????test.method1();

34??????????????}

35??????????}).start();

36?

37??????????new?Thread(new?Runnable() {

38??????????????@Override

39??????????????public?void?run() {

40??????????????????test2.method2();

41??????????????}

42??????????}).start();

43??????}

44??}

3、同步方法塊，鎖是括號里面的對象

public?class?SynchronizedTest {

?4?????public?void?method1(){

?5?????????System.out.println("Method 1 start");

?6?????????try?{

?7?????????????synchronized?(this) {

?8?????????????????System.out.println("Method 1 execute");

?9?????????????????Thread.sleep(3000);

10?????????????}

11?????????}?catch?(InterruptedException e) {

12?????????????e.printStackTrace();

13?????????}

14?????????System.out.println("Method 1 end");

15?????}

17?????public?void?method2(){

18?????????System.out.println("Method 2 start");

19?????????try?{

20?????????????synchronized?(this) {

21?????????????????System.out.println("Method 2 execute");

22?????????????????Thread.sleep(1000);

23?????????????}

24?????????}?catch?(InterruptedException e) {

25?????????????e.printStackTrace();

26?????????}

27?????????System.out.println("Method 2 end");

28?????}

30?????public?static?void?main(String[] args) {

31?????????final?SynchronizedTest test =?new?SynchronizedTest();

33?????????new?Thread(new?Runnable() {

34?????????????@Override

35?????????????public?void?run() {

36?????????????????test.method1();

37?????????????}

38?????????}).start();

40?????????new?Thread(new?Runnable() {

41?????????????@Override

42?????????????public?void?run() {

43?????????????????test.method2();

44?????????????}

45?????????}).start();

46?????}

47?}

synchronize底層原理：

Java 虛擬機中的同步(Synchronization)基于進入和退出Monitor對象實現(xiàn)，無論是顯式同步(有明確的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代碼塊)還是隱式同步都是如此。在 Java 語言中，同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修飾的同步方法。同步方法并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令來實現(xiàn)同步的，而是由方法調(diào)用指令讀取運行時常量池中方法表結構的 ACC_SYNCHRONIZED 標志來隱式實現(xiàn)的，關于這點，稍后詳細分析。

同步代碼塊：monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令插入到同步代碼塊的結束位置，JVM需要保證每一個monitorenter都有一個monitorexit與之相對應。任何對象都有一個monitor與之相關聯(lián)，當且一個monitor被持有之后，他將處于鎖定狀態(tài)。線程執(zhí)行到monitorenter指令時，將會嘗試獲取對象所對應的monitor所有權，即嘗試獲取對象的鎖；

在JVM中，對象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域：對象頭、實例變量和填充數(shù)據(jù)。如下：

實例變量：存放類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息，如果是數(shù)組的實例部分還包括數(shù)組的長度，這部分內(nèi)存按4字節(jié)對齊。

填充數(shù)據(jù)：由于虛擬機要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。填充數(shù)據(jù)不是必須存在的，僅僅是為了字節(jié)對齊，這點了解即可。

對象頭：Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數(shù)據(jù)：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）。其中Klass Point是是對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例，Mark Word用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，它是實現(xiàn)輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。

Mark Word：用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標志、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等等。Java對象頭一般占有兩個機器碼（在32位虛擬機中，1個機器碼等于4字節(jié)，也就是32bit），但是如果對象是數(shù)組類型，則需要三個機器碼，因為JVM虛擬機可以通過Java對象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對象的大小，但是無法從數(shù)組的元數(shù)據(jù)來確認數(shù)組的大小，所以用一塊來記錄數(shù)組長度。

Monior：我們可以把它理解為一個同步工具，也可以描述為一種同步機制，它通常被描述為一個對象。與一切皆對象一樣，所有的Java對象是天生的Monitor，每一個Java對象都有成為Monitor的潛質(zhì)，因為在Java的設計中，每一個Java對象自打娘胎里出來就帶了一把看不見的鎖，它叫做內(nèi)部鎖或者Monitor鎖。Monitor 是線程私有的數(shù)據(jù)結構，每一個線程都有一個可用monitor record列表，同時還有一個全局的可用列表。每一個被鎖住的對象都會和一個monitor關聯(lián)（對象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一標識，表示該鎖被這個線程占用。其結構如下：

Owner：初始時為NULL表示當前沒有任何線程擁有該monitor record，當線程成功擁有該鎖后保存線程唯一標識，當鎖被釋放時又設置為NULL；
EntryQ:關聯(lián)一個系統(tǒng)互斥鎖（semaphore），阻塞所有試圖鎖住monitor record失敗的線程。
RcThis:表示blocked或waiting在該monitor record上的所有線程的個數(shù)。
Nest:用來實現(xiàn)重入鎖的計數(shù)。
HashCode:保存從對象頭拷貝過來的HashCode值（可能還包含GC age）。
Candidate:用來避免不必要的阻塞或等待線程喚醒，因為每一次只有一個線程能夠成功擁有鎖，如果每次前一個釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然后因為競爭鎖失敗又被阻塞）從而導致性能嚴重下降。Candidate只有兩種可能的值0表示沒有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個繼任線程來競爭鎖。

?Java虛擬機對synchronize的優(yōu)化：

鎖的狀態(tài)總共有四種，無鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。隨著鎖的競爭，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖，但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現(xiàn)鎖的降級，關于重量級鎖，前面我們已詳細分析過，下面我們將介紹偏向鎖和輕量級鎖以及JVM的其他優(yōu)化手段。

偏向鎖

偏向鎖是Java 6之后加入的新鎖，它是一種針對加鎖操作的優(yōu)化手段，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，因此為了減少同一線程獲取鎖(會涉及到一些CAS操作,耗時)的代價而引入偏向鎖。偏向鎖的核心思想是，如果一個線程獲得了鎖，那么鎖就進入偏向模式，此時Mark Word 的結構也變?yōu)槠蜴i結構，當這個線程再次請求鎖時，無需再做任何同步操作，即獲取鎖的過程，這樣就省去了大量有關鎖申請的操作，從而也就提供程序的性能。所以，對于沒有鎖競爭的場合，偏向鎖有很好的優(yōu)化效果，畢竟極有可能連續(xù)多次是同一個線程申請相同的鎖。但是對于鎖競爭比較激烈的場合，偏向鎖就失效了，因為這樣場合極有可能每次申請鎖的線程都是不相同的，因此這種場合下不應該使用偏向鎖，否則會得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗后，并不會立即膨脹為重量級鎖，而是先升級為輕量級鎖。

輕量級鎖

倘若偏向鎖失敗，虛擬機并不會立即升級為重量級鎖，它還會嘗試使用一種稱為輕量級鎖的優(yōu)化手段(1.6之后加入的)，此時Mark Word 的結構也變?yōu)檩p量級鎖的結構。輕量級鎖能夠提升程序性能的依據(jù)是“對絕大部分的鎖，在整個同步周期內(nèi)都不存在競爭”，注意這是經(jīng)驗數(shù)據(jù)。需要了解的是，輕量級鎖所適應的場景是線程交替執(zhí)行同步塊的場合，如果存在同一時間訪問同一鎖的場合，就會導致輕量級鎖膨脹為重量級鎖。

自旋鎖

輕量級鎖失敗后，虛擬機為了避免線程真實地在操作系統(tǒng)層面掛起，還會進行一項稱為自旋鎖的優(yōu)化手段。這是基于在大多數(shù)情況下，線程持有鎖的時間都不會太長，如果直接掛起操作系統(tǒng)層面的線程可能會得不償失，畢竟操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程之間的切換時需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高，因此自旋鎖會假設在不久將來，當前的線程可以獲得鎖，因此虛擬機會讓當前想要獲取鎖的線程做幾個空循環(huán)(這也是稱為自旋的原因)，一般不會太久，可能是50個循環(huán)或100循環(huán)，在經(jīng)過若干次循環(huán)后，如果得到鎖，就順利進入臨界區(qū)。如果還不能獲得鎖，那就會將線程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式，這種方式確實也是可以提升效率的。最后沒辦法也就只能升級為重量級鎖了。

鎖消除

消除鎖是虛擬機另外一種鎖的優(yōu)化，這種優(yōu)化更徹底，Java虛擬機在JIT編譯時(可以簡單理解為當某段代碼即將第一次被執(zhí)行時進行編譯，又稱即時編譯)，通過對運行上下文的掃描，去除不可能存在共享資源競爭的鎖，通過這種方式消除沒有必要的鎖，可以節(jié)省毫無意義的請求鎖時間，如下StringBuffer的append是一個同步方法，但是在add方法中的StringBuffer屬于一個局部變量，并且不會被其他線程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享資源競爭的情景，JVM會自動將其鎖消除。

/**

?* Created by zejian on 2017/6/4.

?* Blog : http://blog.csdn.net/javazejian

?* 消除StringBuffer同步鎖

?*/

public?class?StringBufferRemoveSync {

????public?void?add(String str1, String str2) {

????????//StringBuffer是線程安全,由于sb只會在append方法中使用,不可能被其他線程引用

????????//因此sb屬于不可能共享的資源,JVM會自動消除內(nèi)部的鎖

????????StringBuffer sb =?new?StringBuffer();

????????sb.append(str1).append(str2);

????}

????public?static?void?main(String[] args) {

????????StringBufferRemoveSync rmsync =?new?StringBufferRemoveSync();

????????for?(int?i =?0; i <?10000000; i++) {

????????????rmsync.add("abc",?"123");

????????}

????}

}

synchronize的可重入性：

從互斥鎖的設計上來說，當一個線程試圖操作一個由其他線程持有的對象鎖的臨界資源時，將會處于阻塞狀態(tài)，但當一個線程再次請求自己持有對象鎖的臨界資源時，這種情況屬于重入鎖，請求將會成功，在java中synchronized是基于原子性的內(nèi)部鎖機制，是可重入的，因此在一個線程調(diào)用synchronized方法的同時在其方法體內(nèi)部調(diào)用該對象另一個synchronized方法，也就是說一個線程得到一個對象鎖后再次請求該對象鎖，是允許的，這就是synchronized的可重入性。如下：

public?class?AccountingSync?implements?Runnable{

????static?AccountingSync instance=new?AccountingSync();

????static?int?i=0;

????static?int?j=0;

????@Override

????public?void?run() {

????????for(int?j=0;j<1000000;j++){

????????????//this,當前實例對象鎖

????????????synchronized(this){

????????????????i++;

????????????????increase();//synchronized的可重入性

????????????}

????????}

????}

????public?synchronized?void?increase(){

????????j++;

????}

????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);

????}

}

　　正如代碼所演示的，在獲取當前實例對象鎖后進入synchronized代碼塊執(zhí)行同步代碼，并在代碼塊中調(diào)用了當前實例對象的另外一個synchronized方法，再次請求當前實例鎖時，將被允許，進而執(zhí)行方法體代碼，這就是重入鎖最直接的體現(xiàn)，需要特別注意另外一種情況，當子類繼承父類時，子類也是可以通過可重入鎖調(diào)用父類的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor實現(xiàn)的，因此每次重入，monitor中的計數(shù)器仍會加1。

線程中斷：正如中斷二字所表達的意義，在線程運行(run方法)中間打斷它，在Java中，提供了以下3個有關線程中斷的方法

//中斷線程（實例方法）

public?void?Thread.interrupt();

//判斷線程是否被中斷（實例方法）

public?boolean?Thread.isInterrupted();

//判斷是否被中斷并清除當前中斷狀態(tài)（靜態(tài)方法）

public?static?boolean?Thread.interrupted();

　等待喚醒機制與synchronize：所謂等待喚醒機制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用這3個方法時，必須處于synchronized代碼塊或者synchronized方法中，否則就會拋出IllegalMonitorStateException異常，這是因為調(diào)用這幾個方法前必須拿到當前對象的監(jiān)視器monitor對象，也就是說notify/notifyAll和wait方法依賴于monitor對象，在前面的分析中，我們知道m(xù)onitor 存在于對象頭的Mark Word 中(存儲monitor引用指針)，而synchronized關鍵字可以獲取 monitor ，這也就是為什么notify/notifyAll和wait方法必須在synchronized代碼塊或者synchronized方法調(diào)用的原因。

本篇參考資料：http://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483?locationNum=5&fps=1

http://www.cnblogs.com/pureEve/p/6421273.html

http://www.cnblogs.com/paddix/p/5367116.html

from：?https://www.cnblogs.com/mingyao123/p/7424911.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java并发编程 Synchronized及其实现原理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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Java并发编程 Synchronized及其实现原理

總結