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Java并發(fā)編程之Synchronized關(guān)鍵字

并發(fā)編程的重點(diǎn)也是難點(diǎn)是數(shù)據(jù)同步、線程安全、鎖。要編寫線程安全的代碼，其核心在于對共享和可變的狀態(tài)的訪問進(jìn)行管理。

共享意味著變量可以由多個(gè)線程訪問，而可變則意味著變量的值在其生命周期內(nèi)可以發(fā)生變化。

當(dāng)多個(gè)線程訪問某個(gè)狀態(tài)變量且其中有一個(gè)線程執(zhí)行寫入操作時(shí)，必須采用同步機(jī)制來協(xié)同這些線程對變量的訪問。

Java中的主要同步機(jī)制是關(guān)鍵字synchronized，它提供了一種獨(dú)占的加鎖方式。

勾勾從一下幾個(gè)方面來學(xué)習(xí)synchronized：

關(guān)鍵字synchronized的特性

synchronized關(guān)鍵字可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的策略來防止線程干擾和內(nèi)存一致性錯(cuò)誤，如果一個(gè)對象對多個(gè)線程是可見的，那么該對象的所有讀和寫都需通過同步的方式。

synchronized的特性：

不可中斷：synchronized關(guān)鍵字提供了獨(dú)占的加鎖方式，一旦一個(gè)線程持有了鎖對象，其他線程將進(jìn)入阻塞狀態(tài)或者等待狀態(tài)，直到前一個(gè)線程釋放鎖，中間過程不可中斷。

原子性： synchronized關(guān)鍵字的不可中斷性保證了它的原子性。

可見性：synchronized關(guān)鍵字包含了兩個(gè)JVM指令：monitor enter和monitor exit，它能夠保證在任何時(shí)候任何線程執(zhí)行到monitor enter時(shí)都必須從主內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，而不是從線程工作內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)，在monitor exit之后，工作內(nèi)存被更新后的值必須存入主內(nèi)存，從而保證了數(shù)據(jù)可見性。

有序性：synchronized關(guān)鍵字修改的同步方法是串行執(zhí)行的，但其所修飾的代碼塊中的指令順序還是會發(fā)生改變的，這種改變遵守java happens-before規(guī)則。

可重入性：如果一個(gè)擁有鎖持有權(quán)的線程再次獲取鎖，則monitor的計(jì)數(shù)器會累加1，當(dāng)線程釋放鎖的時(shí)候也會減1，直到計(jì)數(shù)器為0表示線程釋放了鎖的持有權(quán)，在計(jì)數(shù)器不為0之前，其他線程都處于阻塞狀態(tài)。

關(guān)鍵字synchronized的用法

synchronized關(guān)鍵字鎖的是對象，修飾的可以是代碼塊和方法，但是不能修飾class對象以及變量。

代碼塊，鎖對象即是object

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. private final Object obj = new Object(); 
    2.   
  
  
  
  2. public void sync(){ 
    3.   
  
  
  
  3.         synchronized (obj){  
    4.   
  
  
  
  4.                     
    5.   
  
  
  
  5.         }         
    6.   
  
  
  
  6.    } 
    7.

 方法，鎖對象即是this

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public synchronized void syncMethod(){ 
    2.   
  
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  
  3.  } 
    4.

 靜態(tài)方法，鎖對象既是class

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public synchronized static void syncStaticMethod(){ 
    2.   
  
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  
  3.  } 
    4.

 勾勾在開發(fā)中最常用的是用synchronized關(guān)鍵字修飾對象，可以控制鎖的粒度，所以針對最常用的場景勾勾去了解了它的字節(jié)碼文件，先來看看勾勾的測試用例：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public class TestSynchronized { 
    2.   
  
  
  
  2.     private int index; 
    3.   
  
  
  
  3.     private final static int MAX = 100; 
    4.   
  
  
  
  4.     public void sync(){        
    5.   
  
  
  
  5.         synchronized (new Object()){                 
    6.   
  
  
  
  6.             while (index < MAX){                         
    7.   
  
  
  
  7.                 index ++; 
    8.   
  
  
  
  8.             } 
    9.   
  
  
  
  9.         } 
    10.   
  
  
  
  10.     } 
    11.   
  
  
  
  11. } 
    12.

 運(yùn)行命令 “javac -encoding UTF-8 TestSynchronized.java”編輯成class文件，然后

運(yùn)行命令“javap -c TestSynchronized.class”得到字節(jié)碼文件：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public com.example.demo.articles.thread.TestSynchronized();  
    2.   
  
  
  
  2.    Code: 
    3.   
  
  
  
  3.       0: aload_0 
    4.   
  
  
  
  4.       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V 
    5.   
  
  
  
  5.       4: return 
    6.   
  
  
  
  6.  
    7.   
  
  
  
  7.  public void sync(); 
    8.   
  
  
  
  8.    Code: 
    9.   
  
  
  
  9.       0: new           #2                  // class java/lang/Object 
    10.   
  
  
  
  10.       3: dup 
    11.   
  
  
  
  11.       4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V 
    12.   
  
  
  
  12.       7: dup 
    13.   
  
  
  
  13.       8: astore_1 
    14.   
  
  
  
  14.       9: monitorenter  //進(jìn)入同步代碼塊 
    15.   
  
  
  
  15.      10: aload_0       //加載數(shù)據(jù) 
    16.   
  
  
  
  16.      11: getfield      #3                  // Field index:I 
    17.   
  
  
  
  17.      14: bipush        100 
    18.   
  
  
  
  18.      16: if_icmpge     32 
    19.   
  
  
  
  19.      19: aload_0 
    20.   
  
  
  
  20.      20: dup 
    21.   
  
  
  
  21.      21: getfield      #3                  // Field index:I 
    22.   
  
  
  
  22.      24: iconst_1 
    23.   
  
  
  
  23.      25: iadd          // 加1操作 
    24.   
  
  
  
  24.      26: putfield      #3                  // Field index:I 
    25.   
  
  
  
  25.      29: goto          10 //跳轉(zhuǎn)至10行 
    26.   
  
  
  
  26.      32: aload_1       
    27.   
  
  
  
  27.      33: monitorexit  // 退出同步代碼塊 
    28.   
  
  
  
  28.      34: goto          42 //跳轉(zhuǎn)至42行 
    29.   
  
  
  
  29.      37: astore_2     // 刷新數(shù)據(jù) 
    30.   
  
  
  
  30.      38: aload_1 
    31.   
  
  
  
  31.      39: monitorexit   
    32.   
  
  
  
  32.      40: aload_2 
    33.   
  
  
  
  33.      41: athrow 
    34.   
  
  
  
  34.      42: return 
    35.   
  
  
  
  35.    Exception table: 
    36.   
  
  
  
  36.       from    to  target type 
    37.   
  
  
  
  37.          10    34    37   any 
    38.   
  
  
  
  38.          37    40    37   any 
    39.

 monitorenter和monitorexit是成對出現(xiàn)的，有時(shí)候你看到的是一個(gè)monitorenter對應(yīng)多個(gè)monitorexit，但是能肯定的一定點(diǎn)是每一個(gè)monitorexit之前必有一個(gè)monitorenter。

從字節(jié)碼文件中可以看到monitorenter之后執(zhí)行了aload操作，monitorexit之后執(zhí)行了astore操作。

TIPS：在使用synchronized關(guān)鍵字時(shí)注意事項(xiàng)

  1. 鎖的對象不能為空;
  2. 鎖的范圍不宜太大;
  3. 不要試圖使用不同的monitor來鎖同一個(gè)方法;
  4. 避免多個(gè)鎖交叉等待導(dǎo)致死鎖;

鎖膨脹

在jdk1.6之前，線程在獲取鎖時(shí)，如果鎖對象已經(jīng)被其他線程持有，此線程將掛起進(jìn)入阻塞狀態(tài)，喚醒阻塞線程的過程涉及到了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，性能損耗比較大。

synchronized作為親兒子，混的太差肯定不行，在jdk1.6對其進(jìn)行了優(yōu)化，將鎖狀態(tài)分為了無鎖狀態(tài)，偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖。

鎖的升級過程既是：

在了解鎖的升級過程之前，勾勾重點(diǎn)理解了monitor和對象頭。

在第一次研究鎖膨脹的時(shí)候因?yàn)闆]有花時(shí)間去理解這兩個(gè)概念，勾勾對鎖升級的記憶只持續(xù)了3天，最后勾勾又用了兩天的時(shí)間去學(xué)習(xí)對象頭和monitor，才算是真正的理解鎖的膨脹原理。所以大家在學(xué)習(xí)一個(gè)知識的時(shí)候，不要靠背去記憶一個(gè)知識點(diǎn)，一定要知其然。

每一個(gè)對象都與一個(gè)monitor相關(guān)聯(lián)，monitor對象與實(shí)例對象一同創(chuàng)建并銷毀，monitor是C++支持的一個(gè)監(jiān)視器。鎖對象的爭奪既是爭奪monitor的持有權(quán)。

勾勾在OpenJdk源碼中找到了ObjectMonitor的源碼：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1.  // initialize the monitor, exception the semaphore, all other fields 
    2.   
  
  
  
  2.   //  are simple integers or pointers     
    3.   
  
  
  
  3.   ObjectMonitor() {   
    4.   
  
  
  
  4.     _header       = NULL; 
    5.   
  
  
  
  5.     _count        = 0; 
    6.   
  
  
  
  6.     _waiters      = 0, 
    7.   
  
  
  
  7.     _recursions   = 0; 
    8.   
  
  
  
  8.     _object       = NULL; 
    9.   
  
  
  
  9.     _owner        = NULL; 
    10.   
  
  
  
  10.     _WaitSet      = NULL; 
    11.   
  
  
  
  11.     _WaitSetLock  = 0 ; 
    12.   
  
  
  
  12.     _Responsible  = NULL ; 
    13.   
  
  
  
  13.     _succ         = NULL ; 
    14.   
  
  
  
  14.     _cxq          = NULL ; 
    15.   
  
  
  
  15.     FreeNext      = NULL ; 
    16.   
  
  
  
  16.     _EntryList    = NULL ; 
    17.   
  
  
  
  17.     _SpinFreq     = 0 ; 
    18.   
  
  
  
  18.     _SpinClock    = 0 ; 
    19.   
  
  
  
  19.     OwnerIsThread = 0 ; 
    20.   
  
  
  
  20.   } 
    21.   
  
  
  
  21.  protected:                         // protected for jvmtiRawMonitor 
    22.   
  
  
  
  22.   void *  volatile _owner;          // pointer to owning thread OR BasicLock 
    23.   
  
  
  
  23.   volatile intptr_t  _recursions;   // recursion count, 0 for first entry 
    24.   
  
  
  
  24.  private: 
    25.   
  
  
  
  25.   int OwnerIsThread ;               // _owner is (Thread *) vs SP/BasicLock 
    26.   
  
  
  
  26.   ObjectWaiter * volatile _cxq ;    // LL of recently-arrived threads blocked on entry. 
    27.   
  
  
  
  27.                                     // The list is actually composed of WaitNodes, acting 
    28.   
  
  
  
  28.                                     // as proxies for Threads. 
    29.   
  
  
  
  29.  protected: 
    30.   
  
  
  
  30.   ObjectWaiter * volatile _EntryList ;     // Threads blocked on entry or reentry. 
    31.   
  
  
  
  31.  private: 
    32.   
  
  
  
  32.   Thread * volatile _succ ;          // Heir presumptive thread - used for futile wakeup throttling 
    33.   
  
  
  
  33.   Thread * volatile _Responsible ; 
    34.   
  
  
  
  34.   int _PromptDrain ;                // rqst to drain cxq into EntryList ASAP 
    35.   
  
  
  
  35. } 
    36.

 owner：指向線程的指針。即鎖對象關(guān)聯(lián)的monitor中的owner指向了哪個(gè)線程表示此線程持有了鎖對象。

waitSet：進(jìn)入阻塞等待的線程隊(duì)列。當(dāng)線程調(diào)用wait方法之后，就會進(jìn)入waitset隊(duì)列，可以等待其他線程喚醒。

entryList：當(dāng)多個(gè)線程進(jìn)入同步代碼塊之后，處于阻塞狀態(tài)的線程就會被放入entryList中。

那什么是對象頭呢，它與synchronized又有什么關(guān)系呢?

在JVM中，對象在內(nèi)存中分為3塊區(qū)域：

  • 對象頭Mark Word(標(biāo)記字段)：用于存儲對象的hashcode，分代年齡，鎖標(biāo)志位，是否可偏向標(biāo)志，在運(yùn)行期間，其存儲的數(shù)據(jù)會發(fā)生變化。Klass Point(類型指針)：該指針指向它的類元數(shù)據(jù)，JVM通過這個(gè)指針確定對象是哪個(gè)類的實(shí)例。該指針的位長度為JVM的一個(gè)字大小，即32位的JVM為32位，64位的JVM為64位。
  • 實(shí)例數(shù)據(jù)用于存放類的數(shù)據(jù)信息
  • 填充數(shù)據(jù)虛擬機(jī)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，當(dāng)不滿足時(shí)需對其填充。

我們先通過一張圖了解下在鎖升級的過程中對象頭的變化：

接下來我們分析鎖升級的過程：

第一個(gè)分支鎖標(biāo)志為01：

當(dāng)線程運(yùn)行到同步代碼塊時(shí)，首先會判斷鎖標(biāo)志位，如果鎖標(biāo)志位為01，則繼續(xù)判斷偏向標(biāo)志。

如果偏向標(biāo)志為0，則表示鎖對象未被其他線程持有，可以獲取鎖。此時(shí)當(dāng)前線程通過CAS的方法修改線程ID，如果修改成功，此時(shí)鎖升級為偏向鎖。

如果偏向標(biāo)志為1，則表示鎖對象已經(jīng)被占有。

進(jìn)一步判斷線程id是否相等，相等則表示當(dāng)前線程持有的鎖對象，可以重入。

如果線程id不相等，則表示鎖被其他線程占有。

需進(jìn)一步判斷持有偏向鎖的線程的活動狀態(tài)，如果原持有偏向鎖線程已經(jīng)不活動或者已經(jīng)退出同步代碼塊，則表示原持有偏向鎖的線程可以釋放偏向鎖。釋放后偏向鎖回到無鎖狀態(tài)，線程再次嘗試獲取鎖。主要是因?yàn)槠蜴i不會主動釋放，只有其他線程競爭偏向鎖的時(shí)候才會釋放。

如果原持有偏向鎖的線程沒有退出同步代碼塊，則鎖升級為輕量級鎖。

偏向鎖的流程圖如下：

第二個(gè)分支鎖標(biāo)志為00：

在第一個(gè)分支中我們了解到在如果偏向鎖已經(jīng)被其他線程占有，則鎖會被升級為輕量級鎖。

此時(shí)原持有偏向鎖的線程的棧幀中分配鎖記錄Lock Record，將對象頭中的Mark Word信息拷貝到鎖記錄中，Mark Word的指針指向了原持有偏向鎖線程中的鎖記錄，此時(shí)原持有偏向鎖的線程獲取輕量級鎖，繼續(xù)執(zhí)行同步塊代碼。

如果線程在運(yùn)行同步塊時(shí)發(fā)現(xiàn)鎖的標(biāo)志位為00，則在當(dāng)前線程的棧幀中分配鎖記錄，拷貝對象頭中的Mark Word到鎖記錄中。通過CAS操作將Mark Word中的指針指向自己的鎖記錄，如果成功，則當(dāng)前線程獲取輕量鎖。

如果修改失敗，則進(jìn)入自旋，不斷通過CAS的方式修改Mark Word中的指針指向自己的鎖記錄。

當(dāng)自旋超過一定次數(shù)(默認(rèn)10次)，則升級為重量鎖。

輕量鎖的鎖是主動釋放的，持有輕量鎖的線程在執(zhí)行完同步代碼塊后，會先判斷Mark Word中的指針是否依然指向自己，且自己鎖記錄中的Mark Word信息與鎖對象的Mark Word信息一致，如果都一致，則釋放鎖成功。

如果不一致，則鎖有可能已經(jīng)被升級為重量鎖。

輕量級流程圖如下圖：

第三個(gè)分支鎖標(biāo)志位為10：

鎖標(biāo)志為10時(shí)，此時(shí)鎖已經(jīng)為重量鎖，線程會先判斷monitor中的owner指針指向是否為自己，是則獲取重量鎖，不是則會掛起。

整個(gè)鎖升級過程中的流程圖如下，如果看懂了一定要自己畫一遍。

總結(jié)：

synchronized關(guān)鍵字是一種獨(dú)占的加鎖方式，不可中斷，保證了原子性，可見性，和有序性。

synchronized關(guān)鍵字可用于修飾方法和代碼塊，不能用于修飾變量和類。

多線程在執(zhí)行同步代碼塊時(shí)獲取鎖的過程在不同的鎖狀態(tài)下不一樣，偏向鎖是修改Mark Word中的線程ID，輕量鎖是修改Mark Word的指針指向自己的鎖記錄，重量鎖是修改monitor中的指針指向自己。

今天就學(xué)到這里了!收工!

并發(fā)編程、JVM、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識更新完了，后續(xù)還會慢慢補(bǔ)充!


當(dāng)前標(biāo)題：Java并發(fā)編程之Synchronized關(guān)鍵字
標(biāo)題來源：http://www.5511xx.com/article/ccsegdh.html