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Java并发之synchronized关键字详解

时间:2023-11-30 本站 点击:1

synchronized关键字是Java并发中的一个重要内容,它能够解决多个线程之间访问资源的同步性。

作用范围

由于synchronized是关键字,所以它能够修饰三个地方的代码,分别是:实例方法、静态方法、代码块。

实例方法

当synchronized修饰某个实例的方法时,它的锁对象为当前对象实例:

synchronizedvoidtest(){......}

因为锁对象是当前对象实例,所以若是对象实例不同,则无法保证线程同步。

静态方法

当synchronized修饰某个静态方法时,它的锁对象为当前类的Class对象:

synchronizedstaticvoidtest(){......}

因为锁对象是当前类的Class对象,所以即使对象实例不同,只要范围是在这个类中,则能保证线程同步。

代码块

代码块比较特殊,它需要指定锁对象是谁:

synchronized(TestDemo.class){......}

synchronized是如何保证线程同步的

不知道大家有没有好奇过,synchronized是如何保证线程同步的呢?我们以一段程序为例:

publicclassLockDemo{publicstaticvoidmain(String[]args){synchronized(LockDemo.class){System.out.println("执行业务代码......");}}}

对该程序进行反编译得到如下指令集:

Code:stack=2,locals=3,args_size=10:ldc#2//classcom/wwj/lock/LockDemo2:dup3:astore_14:monitorenter5:getstatic#3//Fieldjava/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;8:ldc#4//String执行业务代码......10:invokevirtual#5//Methodjava/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V13:aload_114:monitorexit15:goto2318:astore_219:aload_120:monitorexit21:aload_222:athrow23:return

不难发现,我们的业务代码被两个指令包裹住了,分别是monitorentermonitorexit。 原来,synchronized的底层是通过C++编写的Monitor监视器实现的,具体细节可以查阅底层源代码 objectMonitor.cpp:

从指令集中我们也可以发现一些细节,第14条和第20条指令均为monitorexit,按照我们的理解,monitorenter就是加锁,monitorexit就是解锁,难道程序解锁了两次?其实并不是,我们找到这段程序的Exception Table:

Exceptiontable:fromtotargettype51518any182118any

由此得出结论,当第5条至第15条指令出现异常时,JVM会直接来到第18条指令继续执行,也就是说,当我们加锁的业务出现了异常时,JVM是会自动帮助我们释放锁的。

synchronized在JVM层面的实现

在JVM中,对象在内存中的存储结构可以分为以下三个区域:

对象头

实例数据

对齐填充

而在对象头中又分为两个部分,分别是类型指针和运行时数据(也称为Mark Word),其中类型指针用于指定当前对象的类型,而运行时数据里又存放了以下数据(这里只是简单例举几个):

GC分代年龄

对象的hashCode

线程持有的锁

偏向锁ID

偏向时间戳

在JDK1.6之后,官方对synchronized进行了较大的升级,使得synchronized具有了四种锁的状态,分别是无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁,对象头中专门划分出了一块区域用于存储锁标志位,来区分synchronized的各种锁状态,如图:

在64位的JVM中,对象头共占用12个字节,其中类型指针占用4个字节32位,Mark Word部分占用8字节64位。

由上表可知,锁标志位对应的锁状态,比如01表示无锁或偏向锁,如果是偏向锁还需要记录线程ID、偏向时间戳等内容;00则表示轻量级锁;10表示重量级锁。

将锁划分成四个状态有什么好处呢?原来在JDK1.6以前,synchronized总是以重量级锁的形式作用于程序中,由此导致它的性能低下。而JDK1.6之后,synchronized并不会直接加上重量级锁。

偏向锁

比如,当某个线程访问同步代码时,就会在对象头的Mark Word中记录线程ID,以后该线程在进入和退出同步代码时只需要比较一下Mark Word中的线程ID是否匹配,如果是,则表示获取了锁(由此可知synchronized是可重入锁),否则就会使用CAS将Mark Word中的线程ID设置为当前线程。当某个代码块总是只有一个线程在进入和退出时,为其设置偏向锁可以大大提升性能,因为偏向锁没有加锁解锁的过程,仅仅是判断了Mark Word中的数据值而已。

偏向锁使用的是等到竞争出现才释放锁的机制,当某个其它线程想要来竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程就需要释放锁,但必须等待全局安全点的出现才能释放,此时需要检查持有偏向锁的线程是否存活,若存活,则Mark Word中的线程ID需要重新指定为某个线程或者设置为无锁状态;否则直接设置为无锁状态。

轻量级锁

当偏向锁被两个线程竞争时,偏向锁失效,锁升级为轻量级锁。

比如线程A、线程B同时竞争偏向锁C,则线程A、B需要将C的Mark Word复制到自己的锁记录中,然后某个线程会尝试使用CAS操作将C中Mark Word的线程ID设置为自己的锁记录指针,若成功,则获取到锁,此时其它线程的CAS操作就会失败,其它线程进入自旋等待。当业务执行完毕释放锁时,线程A继续使用CAS操作将之前复制的C中的Mark Word重新设置到C中,如果成功,则解锁成功,如果失败,则锁升级为重量级锁。

需要注意的是当某个线程在自旋等待获取锁时,为了保证效率,它的自旋次数是有限制的,默认最多自旋10次,当超过10次后线程仍未获取到锁,则锁也会被升级为重量级锁。

重量级锁

当锁升级到重量级锁之后,synchronized就重新回到JDK1.6之前的状态了,底层仍然是依赖于C++实现的Monitor监视器。

总结

通过上述的内容,我们可以将synchronized与Lock进行一些比较:

synchronized和Lock都是可重入锁

synchronized依赖于JVM,是JVM的具体实现;Lock依赖于API,是API层面的实现

synchronized出现异常会自动释放锁;Lock必须手动释放

synchronized是非公平锁;Lock既可以是公平锁,也可以是非公平锁

Lock能够让某个等待锁的线程停止等待锁释放;synchronized无法做到

synchronized无法知道线程是否获取到了锁;而Lock可以


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