浅谈Java的Synchronized锁原理和优化

2023-05-20 05:05:10 优化 原理 浅谈

一、synchronized介绍

synchronized中文意思是同步，也称之为”同步锁“。

synchronized的作用是保证在同一时刻， 被修饰的代码块或方法只会有一个线程执行，以达到保证并发安全的效果。

synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法，也是最简单的一种方法。

在jdk1.5之前synchronized是一个重量级锁，相对于j.u.c.Lock，它会显得那么笨重，随着Javs SE 1.6对synchronized进行的各种优化后，synchronized并不会显得那么重了。

synchronized的作用主要有三个：

  • 原子性： 确保线程互斥地访问同步代码；
  • 可见性： 保证共享变量的修改能够及时可见，其实是通过Java内存模型中的 “ 对一个变量unlock操作之前，必须要同步到主内存中；如果对一个变量进行lock操作，则将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用此变量前，需要重新从主内存中load操作或assign操作初始化变量值 ” 来保证的；
  • 有序性： 有效解决重排序问题，即 “一个unlock操作先行发生(happen-before)于后面对同一个锁的lock操作”；

二、synchronized的使用

synchronized的3种使用方式：

  • 修饰实例方法： 作用于当前实例加锁
  • 修饰静态方法： 作用于当前类对象加锁
  • 修饰代码块： 指定加锁对象，对给定对象加锁

1.修饰方法

Synchronized修饰一个方法很简单，就是在方法的前面加synchronized，synchronized修饰方法和修饰一个代码块类似，只是作用范围不一样，修饰代码块是大括号括起来的范围，而修饰方法范围是整个函数。

  • 方法一：修饰的是一个方法
public synchronized void method()
{
   // todo
}
  • 方法二：修饰的是一个代码块
public void method()
{
   synchronized(this) {
      // todo
   }
}

方法一与方法二是等价的，都是锁定了整个方法时的内容。

synchronized关键字不能继承。虽然可以使用synchronized来定义方法，但synchronized并不属于方法定义的一部分，因此，synchronized关键字不能被继承。

  • 在子类方法中加上synchronized关键字
class Parent {
   public synchronized void method() { }
}
class Child extends Parent {
   public synchronized void method() { }
}
  • 在子类方法中调用父类的同步方法
class Parent {
   public synchronized void method() {   }
}
class Child extends Parent {
   public void method() { super.method();   }
}

注意：

  • 在定义接口方法时不能使用synchronized关键字。
  • 构造方法不能使用synchronized关键字，但可以使用synchronized代码块来进行同步。

当有一个明确的对象作为锁时，就可以用类似下面这样的方式写程序：

public void method3(SomeObject obj)
{
   //obj 锁定的对象
   synchronized(obj)
   {
      // todo
   }
}

当没有明确的对象作为锁，只是想让一段代码同步时，可以创建一个特殊的对象来充当锁：

class Test implements Runnable
{
   private byte[] lock = new byte[0];  // 特殊的instance变量
   public void method()
   {
      synchronized(lock) {
         // todo 同步代码块
      }
   }
   public void run() {
   }
}
  • 2.修饰一个静态方法

synchronized也可修饰一个静态方法，用法如下：

public synchronized static void method() {
   // todo
}
  • 3.修饰一个类

Synchronized还可作用于一个类，用法如下：

class ClassName {
   public void method() {
      synchronized(ClassName.class) {
         // todo
      }
   }
}

使用总结

  • 无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，如果它作用的对象是非静态的，则它取得的锁是对象；如果synchronized作用的对象是一个静态方法或一个类，则它取得的锁是对类，该类所有的对象同一把锁。
  • 每个对象只有一个锁（lock）与之相关联，谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。
  • 实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。

三、synchronized的底层实现

谈synchronized的底层实现，就不得不谈数据在JVM内存的存储：Java对象头，以及Monitor对象监视器。

对象头

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。如下图所示：

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  • 实例数据： 存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；
  • 对齐填充： 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；
  • 对象头： 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。

synchronized用的锁就是存在Java对象头里的，那么什么是Java对象头呢？Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Class Pointer（类型指针）。

其中 Class Pointer是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例，Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

监视器（Monitor）

任何一个对象都有一个Monitor与之关联，当且一个Monitor被持有后，它将处于锁定状态。

synchronized在JVM里的实现都是 基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，虽然具体实现细节不一样，但是都可以通过成对的MonitorEnter和MonitorExit指令来实现。

  • MonitorEnter指令： 插入在同步代码块的开始位置，当代码执行到该指令时，将会尝试获取该对象Monitor的所有权，即尝试获得该对象的锁；
  • MonitorExit指令： 插入在方法结束处和异常处，JVM保证每个MonitorEnter必须有对应的MonitorExit；

那什么是Monitor？可以把它理解为 一个同步工具，也可以描述为 一种同步机制，它通常被描述为一个对象。

与一切皆对象一样，所有的Java对象是天生的Monitor，每一个Java对象都有成为Monitor的潜质，因为在Java的设计中 ，每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁，它叫做内部锁或者Monitor锁。

也就是通常说Synchronized的对象锁，MarkWord锁标识位为10，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。在Java虚拟机（HotSpot）中，Monitor是由ObjectMonitor实现的。

四、synchronized 锁的升级顺序

锁解决了数据的安全性，但是同样带来了性能的下降。hotspot 虚拟机的作者经过调查发现，大部分情况下，加锁的代码不仅仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得。所以基于这样一个概率。

synchronized 在JDK1.6 之后做了一些优化，为了减少获得锁和释放锁来的性能开销，引入了偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁，锁的状态根据竞争激烈的程度从低到高不断升级。

锁主要存在四种状态，依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，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。而且这个过程就是开销逐渐加大的过程。

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