Java開發(fā)中synchronized的定義及用法詳解
概念
是利用鎖的機制來實現(xiàn)同步的。互斥性:即在同一時間只允許一個線程持有某個對象鎖,通過這種特性來實現(xiàn)多線程中的協(xié)調(diào)機制,這樣在同一時間只有一個線程對需同步的代碼塊(復(fù)合操作)進行訪問。互斥性我們也往往稱為操作的原子性。可見性:必須確保在鎖被釋放之前,對共享變量所做的修改,對于隨后獲得該鎖的另一個線程是可見的(即在獲得鎖時應(yīng)獲得最新共享變量的值),否則另一個線程可能是在本地緩存的某個副本上繼續(xù)操作從而引起不一致。
用法
修飾靜態(tài)方法:
//同步靜態(tài)方法 public synchronized static void methodName() { try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+' aaa'); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < 5; i++) { new Thread(SynchronizedDemo::methodName).start(); } }
當(dāng)synchronized作用于靜態(tài)方法時,其鎖就是當(dāng)前類的class對象鎖。由于靜態(tài)成員不專屬于任何一個實例對象,是類成員,因此通過class對象鎖可以控制靜態(tài) 成員的并發(fā)操作。需要注意的是如果一個線程A調(diào)用一個實例對象的非static synchronized方法,而線程B需要調(diào)用這個實例對象所屬類的靜態(tài) synchronized方法,是允許的,不會發(fā)生互斥現(xiàn)象,因為訪問靜態(tài) synchronized 方法占用的鎖是當(dāng)前類的class對象,而訪問非靜態(tài) synchronized 方法占用的鎖是當(dāng)前實例對象鎖
修飾實例方法:
//同步非靜態(tài)方法 ,當(dāng)前線程的鎖便是實例對象methodName public synchronized void methodName() { try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); System.out.println(Thread.currentThread().getName()+' aaa'); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } }
當(dāng)一個線程正在訪問一個對象的 synchronized 實例方法,那么其他線程不能訪問該對象的其他 synchronized 方法,畢竟一個對象只有一把鎖,當(dāng)一個線程獲取了該對象的鎖之后,其他線程無法獲取該對象的鎖,所以無法訪問該對象的其他synchronized實例方法,但是其他線程還是可以訪問該實例對象的其他非synchronized方法,當(dāng)然如果是一個線程 A 需要訪問實例對象 obj1 的 synchronized 方法 f1(當(dāng)前對象鎖是obj1),另一個線程 B 需要訪問實例對象 obj2 的 synchronized 方法 f2(當(dāng)前對象鎖是obj2),這樣是允許的,因為兩個實例對象鎖并不同相同。此時如果兩個線程操作數(shù)據(jù)并非共享的,線程安全是有保障的,遺憾的是如果兩個線程操作的是共享數(shù)據(jù),那么線程安全就有可能無法保證了。
代碼塊方式(this):
//修飾非靜態(tài)方法 public void methodName() { //修飾代碼塊,this=當(dāng)前對象(誰調(diào)用就指待誰) synchronized (this) { try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ' aaa'); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }
synchronized(this|object) {}:在 Java 中,每個對象都會有一個 monitor 對象,這個對象其實就是 Java 對象的鎖,通常會被稱為“內(nèi)置鎖”或“對象鎖”。類的對象可以有多個,所以每個對象有其獨立的對象鎖,互不干擾。
代碼塊方式(Class):
//修飾非靜態(tài)方法 public void methodName() { //修飾代碼塊,使用Class類 //使用ClassLoader 加載字節(jié)碼的時候會向堆里面存放Class類,所有的對象都對應(yīng)唯一的Class類 //SynchronizedDemo.class 這里拿到的就是堆里面的Class類,也就是所有的Class的對象都共同使用這個synchronized synchronized (SynchronizedDemo.class) { try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ' aaa'); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }
synchronized(類.class) {}:在 Java 中,針對每個類也有一個鎖,可以稱為“類鎖”,類鎖實際上是通過對象鎖實現(xiàn)的,即類的 Class 對象鎖。每個類只有一個 Class 對象,所以每個類只有一個類鎖。
在 Java 中,每個對象都會有一個 monitor 對象,監(jiān)視器。
某一線程占有這個對象的時候,先monitor 的計數(shù)器是不是0,如果是0還沒有線程占有,這個時候線程占有這個對象,并且對這個對象的monitor+1;如果不為0,表示這個線程已經(jīng)被其他線程占有,這個線程等待。當(dāng)線程釋放占有權(quán)的時候,monitor-1; 同一線程可以對同一對象進行多次加鎖,+1,+1,重入性。堆棧分析:
jconsole.exe
JVM指令分析
Javap -V 反編譯
Monitorenter 互斥入口 Monitorexit 互斥出口
monitorexit有兩個,一個是正常出口,一個是異常出口
以上是對代碼塊加鎖
ACC_SYNCHRONIZED : 對方法加鎖。加鎖標記
java虛擬機對synchronized的優(yōu)化
對象頭與monitor:
一個漢字兩個字節(jié),一個字節(jié)8bit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。對象頭:它實現(xiàn)synchronized的鎖對象的基礎(chǔ),一般而言,synchronized使用的鎖對象是存儲在Java對象頭里的,jvm中采用2個字來存儲對象頭(如果對象是數(shù)組則會分配3個字,多出來的1個字記錄的是數(shù)組長度),其主要結(jié)構(gòu)是由Mark Word 和 Class Metadata Address 組成
虛擬機位數(shù) 頭對象結(jié)構(gòu) 說明 32/64bit Mark Word 存儲對象的hashCode、鎖信息或分代年齡或GC標志等信息 32/64bit Class Metadata Address 類型指針指向?qū)ο蟮念愒獢?shù)據(jù),JVM通過這個指針確定該對象是哪個類的實例其中Mark Word在默認情況下存儲著對象的HashCode、分代年齡、鎖標記位等以下是32位JVM的Mark Word默認存儲結(jié)構(gòu).
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(jié)構(gòu)也變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu),當(dāng)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(guān)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(yīng)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。下面我們接著了解輕量級鎖。。
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(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級鎖的結(jié)構(gòu)。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(yīng)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(dǎo)致輕量級鎖膨脹為重量級鎖。
重量級鎖:synchronized的對象鎖,鎖標識位為10,其中指針指向的是monitor對象(也稱為管程或監(jiān)視器鎖)的起始地址。每個對象都存在著一個 monitor 與之關(guān)聯(lián),對象與其 monitor 之間的關(guān)系有存在多種實現(xiàn)方式,如monitor可以與對象一起創(chuàng)建銷毀或當(dāng)線程試圖獲取對象鎖時自動生成,但當(dāng)一個 monitor 被某個線程持有后,它便處于鎖定狀態(tài)。在Java虛擬機(HotSpot)中,monitor是由ObjectMonitor實現(xiàn)的。
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(shè)在不久將來,當(dāng)前的線程可以獲得鎖,因此虛擬機會讓當(dāng)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(dāng)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。
synchronized的可重入性
從互斥鎖的設(shè)計上來說,當(dāng)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(dāng)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。
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(dāng)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(dāng)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(dāng)前實例對象的另外一個synchronized方法,再次請求當(dāng)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(dāng)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.
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