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synchronized如何保证线程同步?

2020年07月17日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

什么是synchronized

synchronized是Java提供的一个并发控制的关键字。可以用来修饰方法代码块。被synchronized修饰的代码块及方法,在同一时间,只能被单个线程访问。

synchronized有什么作用?

使用该关键字修饰的方法,在同一时刻最多只有一个线程可以进入。如果第一个线程获取锁进入了synchronized修饰的区域,在其释放锁之前,需要进入该实例中synchronized修饰的方法或者代码块的其他线程就需要等待,直到第一个线程释放锁之后,其他线程中才会有一个线程接着获取锁,进入互斥资源访问区。
通过词典查字面意思,是:adj. 同步的;同步化的。简而言之,参照Java内存模型,synchronized可以保证原子性有序性可见性

synchronized原理

没有什么比源码更有说服力的了,我们在一个类中,分别使用synchronized来修饰方法和代码块,然后编译该类,再使用javap命令,分析汇编指令。

实战源码

SynchronizedForJavap.java

/**
 * <pre>
 * 程序目的:观察使用了synchronized关键字的java class文件,反编码后的字节码信息,
 * 以便观察jvm是如何实现synchronized的
 * </pre>
 * created at 2020-07-15 07:27
 * @author lerry
 */
public class SynchronizedForJavap {
	public void syncBlock() {
		synchronized (this) {
			System.out.println("hello block");
		}
	}

	public synchronized void syncMethod() {
		System.out.println("hello method");
	}
}

先执行:javac SynchronizedForJavap.java,对java文件进行编译,生成SynchronizedForJavap.class文件,然后执行:javap -v SynchronizedForJavap.class。部分输出结果如下:

public void syncBlock();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter // monitorenter指令进入同步块
         4: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         7: ldc           #3                  // String hello block
         9: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        12: aload_1
        13: monitorexit // monitorexit指令退出同步块
        14: goto          22
        17: astore_2
        18: aload_1
        19: monitorexit // monitorexit指令退出同步块
        20: aload_2
        21: athrow
        22: return

————————————————————————————————————
public synchronized void syncMethod();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED //在同步方法中添加了ACC_SYNCHRONIZED标记
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #5                  // String hello method
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 18: 0
        line 19: 8


从上面的中文注释处可以看到,对于synchronized关键字而言,javac在编译时,会生成对应的monitorentermonitorexit指令分别对应synchronized同步块的进入和退出,有两个monitorexit指令的原因是:为了保证抛异常的情况下也能释放锁,所以javac为同步代码块添加了一个隐式的try-finally,在finally中会调用monitorexit命令释放锁。而对于synchronized方法而言,javac为其生成了一个ACC_SYNCHRONIZED关键字,在JVM进行方法调用时,发现调用的方法被ACC_SYNCHRONIZED修饰,则会先尝试获得锁。

想要深入理解synchronized,还需要了解Java内存布局

Java内存布局

在这里,我们需要借助一个工具:

<!--查看Java 对象布局、大小工具-->
<dependency>
	<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
	<artifactId>jol-core</artifactId>
	<version>0.10</version>
</dependency>

JavaObjectLayOutDemo.java

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * <pre>
 * 程序目的:观察Java内存布局
 * </pre>
 * created at 2020-07-15 08:05
 * @author lerry
 */
public class JavaObjectLayOutDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Object obj = new Object();
		System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
	}
}

输出结果如下:在这里插入图片描述
图:new Object内存布局
一个Java对象在内存中包括对象头、实例数据和补齐填充3个部分:
在这里插入图片描述
图:Java对象内存布局
现在,加上一段代码,使用synchronized关键字,对obj对象加锁:

public class JavaObjectLayOutDemo {
	public static void main(String[] args) {
		Object obj = new Object();
		System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

		System.out.println("使用了synchronized关键字之后的对象内存布局:");
		synchronized (obj){
			System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
		}
	}
}

输出结果如下:
在这里插入图片描述
图:控制台输出-加上synchronized关键字后
在这里插入图片描述
图:控制台输出结果前后对比-MarkWord部分发生了改变
由此得知:synchronized的锁,记录在对象的对象头中的Mark Word部分。

接下来,我们来看一下各种锁状态。

锁状态 new、偏向锁、轻量级锁、重量级锁

在这里插入图片描述
图:HotSpot实现的锁状态对比表-synchronized
对应到控制台输出,对应位置如下:
在这里插入图片描述
图:控制台输出-对象内存布局-锁的位置

锁状态说明及状态转换

  1. Object obj = new Object();
    锁 0 01 -> 无锁状态
  2. 默认synchronized(obj)
    00 -> 轻量级锁
    默认情况偏向锁有个时延,默认是4秒
    why?因为JVM虚拟机自己有一些默认启动的线程,里面有好多sync代码,这些sync代码启动时就知道肯定会有竞争,如果使用偏向锁,就会造成偏向锁不断的进行锁撤销和锁升级的操作,效率较低。
  3. 如果设定-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
    new Object() -> 1 01
    偏向锁 -> 线程ID为0 -> Anonymous BiasedLock
    打开偏向锁,new出来的对象,默认就是一个可偏向匿名对象1 01
  4. 如果有线程上锁
    上偏向锁,指的就是,把markword的线程ID改为自己线程ID的过程
    偏向锁不可重偏向、批量偏向、批量撤销
  5. 如果有线程竞争
    撤销偏向锁,升级轻量级锁
    线程在自己的线程栈生成LockRecord,用CAS操作将markword设置为指向自己这个线程的LockRecord的指针,设置成功者得到锁
  6. 如果竞争加剧
    竞争加剧: 有线程超过10次自旋,-XX:PreBlockSpin(在JDK7u40的时候这个指令消失了), 或者自旋线程数超过CPU核数的一半,1.6之后, 加入
    自适应自旋Adapative Self Spinning,JVM自己控制
    升级重量级锁: -> 向操作系统申请资源,linux mutex , CPU3级-0级系统调用,线程挂起,进入等待队列,
    等待操作系统的调度,然后再映射回用户空间
    (以上实验环境是JDK11,打开就是偏向锁,而JDK8默认对象头是无锁)
    下图是JDK1.6引入偏向锁之后的状态转换示意图:
    在这里插入图片描述
    图:偏向锁、轻量级锁的状态转化及对象MarkWord的关系-《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实践(第2版)》

这样的状态转换,虽然脉络清晰了不少,但是是面向机器的。接下来,用一个实际生活场景,来阐述一下锁的各种状态转换。

有一天,蜘蛛侠吃坏了肚子,跑来卫生间蹲坑,这时只有他一个人,没人和他抢,于是管理员在厕所门上贴了个“蜘蛛侠专用”(线程ID),既然很着急、门就不锁了,这样效率也高。  
蜘蛛侠跑了两次,每次门都没锁,可以直接进去,很高兴。科室过了会儿、蝙蝠侠也跑过来了,原来中午他们一起在一家使用地沟油的餐厅吃饭,都中招了。这时,管理员把门上的标签撕掉,让两个人竞争。最后蝙蝠侠更快一些,门上的便签换成了“蝙蝠侠专用”,蜘蛛侠在外面急的转圈(有线程竞争、升级轻量级锁、CAS自旋)。蝙蝠侠出来后,蜘蛛侠赶紧冲进去干活儿。

再后来、发现钢铁侠、雷神、美队都跑过来了,蜘蛛侠占着位置,其他人都在外面急的转圈儿,管理员说这样转太浪费功夫了,于是,给门上了锁(竞争加剧、升级重量级锁),其他人都别动(不耗费CPU资源),都排队(进入等待队列)。蜘蛛侠出来后,管理员把锁交给美队(CPU指定线程去执行)。依次类推。

思维导图

在这里插入图片描述
图:blog思维导图

参考资料

马士兵-《多线程与高并发》,帮助你·理解多线程在CPU层级的实现,以及这些实现如何一层一层的映射到那些上亿用户,千万QPS,百万TPS的系统。
三大性质总结:原子性,有序性,可见性 - 简书
通过javap命令分析java汇编指令 - 简书
死磕Synchronized底层实现–概论 - 掘金
JOL:查看Java 对象布局、大小工具_禅鸣之时-CSDN博客_jol
Java对象内存布局 - 简书

环境说明

  • java -version
java version "1.8.0_251"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_251-b08)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.251-b08, mixed mode)

  • OS:macOS High Sierra 10.13.4

本文地址:https://blog.csdn.net/limenghua9112/article/details/107374854

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