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深入理解synchronized关键字

synchronized是并发编程中重要的使用工具之一,我们必须学会使用并且掌握它的原理。

概念及作用

JVM自带的关键字,可在需要线程安全的业务场景中使用,来保证线程安全。

用法

按照锁的对象区分可以分为 对象锁类锁 按照在代码中的位置区分可以分为 方法形式代码块形式

对象锁

锁对象为当前 this 或者说是 当前类 的实例对象

public void synchronized method() {
    System.out.println("我是普通方法形式的对象锁");
}

public void method() {
    synchronized(this) {
        System.out.println("我是代码块形式的对象锁");
    }
}
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类锁

锁的是当前类或者指定类的Class对象。一个类可能有多个实例对象,但它只可能有一个Class对象。

public static void synchronized method() {
    System.out.println("我是静态方法形式的类锁");
}

public void method() {
    synchronized(*.class) {
        System.out.println("我是代码块形式的类锁");
    }
}
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SimpleExample

[参考] www.imooc.com/learn/1086 【慕课网,Java高并发之魂:synchronized深度解析】

最基本的用法在上一个标题用法中已将伪代码列出,这里列举在以上基础上稍微变化一些的用法

  1. 多个实例,对当前实例加锁,同步执行,对当前类Class对象加锁,异步执行
public class SimpleExample implements Runnable {
    static SimpleExample instance1 = new SimpleExample();
    static SimpleExample instance2 = new SimpleExample();
    
    @Override
    public void run() {
        method1();
        method2();
        method3();
        method4();
    }
    
    public synchronized void method1() {
        common();
    }
    
    public static synchronized void method2() {
       commonStatic();
    }
    
    public void method3() {
        synchronized(this) {
            common();
        }
    }

    public void method4() {
        synchronized(MultiInstance.class) {
            common();
        }
    }
    
    public void method5() {
        common();
    }
    
    public void method6() {
        commonStatic();
    }
    
    public void common() {
        System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 正在执行");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch(InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 执行完毕");
    }
    
    public static void commonStatic() {
        System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 正在执行");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch(InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程 " + Thread.currentThread().getName() + " 执行完毕");
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(instance1);
        Thread t2 = new Thread(instance2);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("finished");
    }
}

method1()、method3()结果为:
    线程 Thread-0 正在执行
    线程 Thread-1 正在执行
    线程 Thread-0 执行完毕
    线程 Thread-1 执行完毕
    finished
    
method2()、method4()执行结果为:
    线程 Thread-0 正在执行
    线程 Thread-0 执行完毕
    线程 Thread-1 正在执行
    线程 Thread-1 执行完毕
    finished
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  1. 对象锁和类锁,锁的对象不一样,互不影响,所以异步执行
// 将run方法改为
@Override
public void run() {
    if("Thread-0".equals(Thread.currentThread().getName())) {
        method1();   
    } else {
        method2();
    }
}
// 将main方法改为
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(instance1);
    Thread t2 = new Thread(instance1);
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    System.out.println("finished");
}
结果为:
    线程 Thread-0 正在执行
    线程 Thread-1 正在执行
    线程 Thread-1 执行完毕
    线程 Thread-0 执行完毕
    finished
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3.对象锁和无锁得普通方法,普通方法不需要持有锁,所以异步执行

// 将run方法改为
@Override
public void run() {
    if("Thread-0".equals(Thread.currentThread().getName())) {
        method1();   
    } else {
        method5();
    }
}
// main方法同 2
结果为:
    线程 Thread-0 正在执行
    线程 Thread-1 正在执行
    线程 Thread-0 执行完毕
    线程 Thread-1 执行完毕
    finished
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  1. 类锁和无锁静态方法,异步执行
// 将run方法改为
@Override
public void run() {
    if("Thread-0".equals(Thread.currentThread().getName())) {
        method1();   
    } else {
        method6();
    }
}
// main方法同 2
结果为:
    线程 Thread-0 正在执行
    线程 Thread-1 正在执行
    线程 Thread-0 执行完毕
    线程 Thread-1 执行完毕
    finished
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  1. 方法抛出异常,synchronized锁自动释放
// run方法改为
@Override
public void run() {
    if ("Thread-0".equals(Thread.currentThread().getName())) {
        method7();
    } else {
        method8();
    }
}

public synchronized void method7() {
    try {
        ...
        throw new Exception();
    }  catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

public synchronized void method8() {
    common();
}

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 同 2
}

结果为:
    线程 Thread-0 正在执行
    java.lang.Exception
    	at com.marksman.theory2practicehighconcurrency.synchronizedtest.blog.SynchronizedException.method7(SynchronizedException.java:26)
    	at com.marksman.theory2practicehighconcurrency.synchronizedtest.blog.SynchronizedException.run(SynchronizedException.java:15)
    	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
    线程 Thread-0 执行结束
    线程 Thread-1 正在执行
    线程 Thread-1 执行结束
    finished
// 这说明抛出异常后持有对象锁的method7()方法释放了锁,这样method8()才能获取到锁并执行。
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  1. 可重入特性
public class SynchronizedRecursion {
    int a = 0;
    int b = 0;
    private void method1() {
        System.out.println("method1正在执行,a = " + a);
        if (a == 0) {
            a ++;
            method1();
        }
        System.out.println("method1执行结束,a = " + a);
    }
    
    private synchronized void method2() {
        System.out.println("method2正在执行,b = " + b);
        if (b == 0) {
            b ++;
            method2();
        }
        System.out.println("method2执行结束,b = " + b);
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedRecursion synchronizedRecursion = new SynchronizedRecursion();
        synchronizedRecursion.method1();
        synchronizedRecursion.method2();
    }
}
结果为:
    method1正在执行,a = 0
    method1正在执行,a = 1
    method1执行结束,a = 1
    method1执行结束,a = 1
    
    method2正在执行,b = 0
    method2正在执行,b = 1
    method2执行结束,b = 1
    method2执行结束,b = 1
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  • 可以看到method1()与method2()的执行结果一样的,method2()在获取到对象锁以后,在递归调用时不需要等上一次调用先释放后再获取,而是直接进入,这说明了synchronized的可重入性。
  • 当然,除了递归调用,调用同类的其它同步方法,调用父类同步方法,都是可重入的,前提是同一对象去调用,这里就不一一列举了.

总结一下

  • 一把锁只能同时被一个线程获取,没有拿到锁的线程必须等待;
  • 每个实例都对应有自己的一把锁,不同实例之间互不影响;
  • 锁对象是*.class以及synchronized修饰的static方法时,所有对象共用一把类锁;
  • 无论是方法正常执行完毕或者方法抛出异常,都会释放锁;
  • 使用synchronized修饰的方法都是可重入的。

synchronized的实现原理

monitorenter和monitorexit

将下面两段代码分别用 javac *.java编译成.class文件,再反编译 javap -verbose *.class文件

public class SynchronizedThis {
	public void method() {
		synchronized(this) {}
	}
}

// 反编译结果
public void method();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: aload_1
         5: monitorexit
         6: goto          14
         9: astore_2
        10: aload_1
        11: monitorexit
        12: aload_2
        13: athrow
        14: return
复制代码
public class SynchronizedMethod {
	public synchronized void method() {}
}

// 反编译结果
public synchronized void method();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return
      LineNumberTable:
        line 2: 0
复制代码

可以看到:

  • synchronized加在代码块上,JVM是通过 monitorentermonitorexit 来控制锁的获取的释放的;
  • synchronized加在方法上,JVM是通过 ACC_SYNCHRONIZED 来控制的,但本质上也是通过monitorenter和monitorexit指令控制的。

对象头

[参考] www.jianshu.com/p/3d38cba67… 【简书,Java对象头详解】

上面我们提到monitor,这是什么鬼? 其实,对象在内存是这样存储的,包括 对象头实例数据对齐填充padding ,其中对象头包括Mark Word和类型指针。

Mark Word

Mark Word用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(identity_hashcode)、GC分代年龄(age)、锁状态标志(lock)、线程持有的锁、偏向线程ID(thread)、偏向时间戳(epoch)等等,占用内存大小与虚拟机位长一致。

Mark Word (32 bits) State 锁状态
identity_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 Normal 无锁
thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 Biased 偏向锁
ptr_to_lock_record:30 | lock:2 Lightweight Locked 轻量级锁
ptr_to_heavyweight_monitor:30 | lock:2 Heavyweight Locked 重量级锁
| lock:2 Marked for GC GC标记
Mark Word (64 bits) State 锁状态
unused:25|identity_hashcode:31|unused:1|age:4|biased_lock:1|lock:2 Normal 无锁
thread:54 |epoch:2|unused:1|age:4|biased_lock:1|lock:2 Biased 偏向锁
ptr_to_lock_record:62 | lock:2 Lightweight Locked 轻量级锁
ptr_to_heavyweight_monitor:62 | lock:2 Heavyweight Locked 重量级锁
| lock:2 Marked for GC GC标记

可以看到,monitor就存在Mark Word中。

类型指针

类型指针指向对象的类元数据 metadata ,虚拟机通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。

锁状态

biased_lock lock 状态
0 01 无锁
1 01 偏向锁
0 00 轻量级锁
0 10 重量级锁
0 11 GC标记

JDK对synchronized的优化

jdk1.6之前synchronized是很重的,所以并不被开发者偏爱,随着后续版本jdk对synchronized的优化使其越来越轻量,它还是很好用的,甚至ConcurrentHashMap在jdk的put方法都在jdk1.8时从ReetrantLock.tryLock()改为用synchronized来实现同步。 并且还引入了偏向锁,轻量级锁等概念,下面是偏向锁和轻量级锁的获取流程

![偏向锁和轻量级锁的获取流程] www.processon.com/diagraming/… 【ProncessOn 公开克隆】

[参考] 链接: pan.baidu.com/s/1gA_URint… 提取码:s6vx 【咕泡学院公开课】

偏向锁 baised_lock

如果一个线程获取了偏向锁,那么如果在接下来的一段时间里,如果没有其他线程来抢占锁,那么获取锁的线程在下一次进入方法时不需要重新获取锁。

synchronized与ReentrantLock的区别

[参考] time.geekbang.org/column/arti… 【极客时间,Java核心技术36讲专栏】

区别 synchronized ReentrantLock
灵活性 代码简单,自动获取、释放锁 相对繁琐,需要手动获取、释放锁
是否可重入
作用位置 可作用在方法和代码块 只能用在代码块
获取、释放锁的方式 monitorenter、monitorexit、ACC_SYNCHRONIZED 尝试非阻塞获取锁tryLock()、超时获取锁tryLock(long timeout,TimeUnit unit)、unlock()
获取锁的结果 不知道 可知,tryLock()返回boolean
使用注意事项 1、锁对象不能为空(锁保存在对象头中,null没有对象头)2、作用域不宜过大 1、切记要在finally中unlock(),否则会形成死锁 2、不要将获取锁的过程写在try块内,因为如果在获取锁时发生了异常,异常抛出的同时,也会导致锁无故被释放。
原文  https://juejin.im/post/5c34aca86fb9a049c2329c5e
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