Java併發 Synchronized及其實現原理

Synchronized是Java中解決併發問題的一種最常用的方法，也是最簡單的一種方法。Synchronized的作用主要有三個：（1）確保線程互斥的訪問同步代碼（2）保證共享變量的修改能夠及時可見（3）有效解決重排序問題。

Java中每一個對象都可以作為鎖，這

是synchronized實現同步的基礎：

1、普通同步方法，鎖是當前實例對象

<code>public class SynchronizedTest {
 4     public synchronized void method1(){
 5         System.out.println("Method 1 start");
 6         try {
 7             System.out.println("Method 1 execute");
 8             Thread.sleep(3000);
 9         } catch (InterruptedException e) {
10             e.printStackTrace();
11         }
12         System.out.println("Method 1 end");
13     }
14
15     public synchronized void method2(){
16         System.out.println("Method 2 start");
17         try {
18             System.out.println("Method 2 execute");
19             Thread.sleep(1000);
20         } catch (InterruptedException e) {
21             e.printStackTrace();
22         }
23         System.out.println("Method 2 end");
24     }
25
26     public static void main(String[] args) {
27         final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
28
29         new Thread(new Runnable() {
30             @Override
31             public void run() {
32                 test.method1();
33             }
34         }).start();
35
36         new Thread(new Runnable() {
37             @Override
38             public void run() {
39                 test.method2();
40             }
41         }).start();
42     } 

43 }/<code>

2、靜態同步方法，鎖是當前類的class對象

<code>public class SynchronizedTest {
 4      public static synchronized void method1(){
 5          System.out.println("Method 1 start");
 6          try {
 7              System.out.println("Method 1 execute");
 8              Thread.sleep(3000);
 9          } catch (InterruptedException e) {
10              e.printStackTrace();
11          }
12          System.out.println("Method 1 end");
13      }
14 
15      public static synchronized void method2(){
16          System.out.println("Method 2 start");
17          try {
18              System.out.println("Method 2 execute");
19              Thread.sleep(1000);
20          } catch (InterruptedException e) {
21              e.printStackTrace();
22          }
23          System.out.println("Method 2 end");
24      }
25 
26      public static void main(String[] args) {
27          final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
28          final SynchronizedTest test2 = new SynchronizedTest();
29 
30          new Thread(new Runnable() {
31              @Override
32              public void run() {
33                  test.method1();
34              }
35          }).start();
36 
37          new Thread(new Runnable() {
38              @Override
39              public void run() {
40                  test2.method2();
41              }
42          }).start();
43      }
44  }/<code>

3、同步方法塊，鎖是括號裡面的對象

<code>public class SynchronizedTest {
 4     public void method1(){
 5         System.out.println("Method 1 start");
 6         try {
 7             synchronized (this) {
 8                 System.out.println("Method 1 execute");
 9                 Thread.sleep(3000);
10             }
11         } catch (InterruptedException e) {
12             e.printStackTrace();
13         }
14         System.out.println("Method 1 end");
15     }
16
17     public void method2(){
18         System.out.println("Method 2 start");
19         try {
20             synchronized (this) {
21                 System.out.println("Method 2 execute");
22                 Thread.sleep(1000);
23             }
24         } catch (InterruptedException e) {
25             e.printStackTrace();
26         }
27         System.out.println("Method 2 end");
28     }
29
30     public static void main(String[] args) {
31         final SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
32
33         new Thread(new Runnable() {
34             @Override
35             public void run() {
36                 test.method1();
37             }
38         }).start();
39
40         new Thread(new Runnable() {
41             @Override
42             public void run() {
43                 test.method2();
44             }
45         }).start();
46     }
47 }/<code>

synchronize底層原理：

Java 虛擬機中的同步(Synchronization)基於進入和退出Monitor對象實現， 無論是顯式同步(有明確的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代碼塊)還是隱式同步都是如此。在 Java 語言中，同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修飾的同步方法。同步方法 並不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令來實現同步的，而是由方法調用指令讀取運行時常量池中方法表結構的 ACC_SYNCHRONIZED 標誌來隱式實現的，關於這點，稍後詳細分析。

同步代碼塊：monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令插入到同步代碼塊的結束位置，JVM需要保證每一個monitorenter都有一個monitorexit與之相對應。任何對象都有一個monitor與之相關聯，當且一個monitor被持有之後，他將處於鎖定狀態。線程執行到monitorenter指令時，將會嘗試獲取對象所對應的monitor所有權，即嘗試獲取對象的鎖；

在JVM中，對象在內存中的佈局分為三塊區域：對象頭、實例變量和填充數據。如下：

實例變量：存放類的屬性數據信息，包括父類的屬性信息，如果是數組的實例部分還包括數組的長度，這部分內存按4字節對齊。

填充數據：由於虛擬機要求對象起始地址必須是8字節的整數倍。填充數據不是必須存在的，僅僅是為了字節對齊，這點了解即可。

對象頭：Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Klass Pointer（類型指針）。其中Klass Point是是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例，Mark Word用於存儲對象自身的運行時數據，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。

Mark Word：用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等等。Java對象頭一般佔有兩個機器碼（在32位虛擬機中，1個機器碼等於4字節，也就是32bit），但是如果對象是數組類型，則需要三個機器碼，因為JVM虛擬機可以通過Java對象的元數據信息確定Java對象的大小，但是無法從數組的元數據來確認數組的大小，所以用一塊來記錄數組長度。

Monior：我們可以把它理解為一個同步工具，也可以描述為一種同步機制，它通常被描述為一個對象。與一切皆對象一樣，所有的Java對象是天生的Monitor，每一個Java對象都有成為Monitor的潛質，因為在Java的設計中 ，每一個Java對象自打孃胎裡出來就帶了一把看不見的鎖，它叫做內部鎖或者Monitor鎖。Monitor 是線程私有的數據結構，每一個線程都有一個可用monitor record列表，同時還有一個全局的可用列表。每一個被鎖住的對象都會和一個monitor關聯（對象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同時monitor中有一個Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一標識，表示該鎖被這個線程佔用。其結構如下：

Owner：初始時為NULL表示當前沒有任何線程擁有該monitor record，當線程成功擁有該鎖後保存線程唯一標識，當鎖被釋放時又設置為NULL；EntryQ:關聯一個系統互斥鎖（semaphore），阻塞所有試圖鎖住monitor record失敗的線程。RcThis:表示blocked或waiting在該monitor record上的所有線程的個數。Nest:用來實現重入鎖的計數。HashCode:保存從對象頭拷貝過來的HashCode值（可能還包含GC age）。Candidate:用來避免不必要的阻塞或等待線程喚醒，因為每一次只有一個線程能夠成功擁有鎖，如果每次前一個釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然後因為競爭鎖失敗又被阻塞）從而導致性能嚴重下降。Candidate只有兩種可能的值0表示沒有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個繼任線程來競爭鎖。

Java虛擬機對synchronize的優化：

鎖的狀態總共有四種，無鎖狀態、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。隨著鎖的競爭，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖，但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現鎖的降級，關於重量級鎖，前面我們已詳細分析過，下面我們將介紹偏向鎖和輕量級鎖以及JVM的其他優化手段。

偏向鎖

偏向鎖是Java 6之後加入的新鎖，它是一種針對加鎖操作的優化手段，經過研究發現，在大多數情況下，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，那麼鎖就進入偏向模式，此時Mark Word 的結構也變為偏向鎖結構，當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鎖申請的操作，從而也就提供程序的性能。所以，對於沒有鎖競爭的場合，偏向鎖有很好的優化效果，畢竟極有可能連續多次是同一個線程申請相同的鎖。但是對於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該使用偏向鎖，否則會得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗後，並不會立即膨脹為重量級鎖，而是先升級為輕量級鎖。

輕量級鎖

倘若偏向鎖失敗，虛擬機並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化手段(1.6之後加入的)，此時Mark Word 的結構也變為輕量級鎖的結構。輕量級鎖能夠提升程序性能的依據是“對絕大部分的鎖，在整個同步週期內都不存在競爭”，注意這是經驗數據。需要了解的是，輕量級鎖所適應的場景是線程交替執行同步塊的場合，如果存在同一時間訪問同一鎖的場合，就會導致輕量級鎖膨脹為重量級鎖。

自旋鎖

輕量級鎖失敗後，虛擬機為了避免線程真實地在操作系統層面掛起，還會進行一項稱為自旋鎖的優化手段。這是基於在大多數情況下，線程持有鎖的時間都不會太長，如果直接掛起操作系統層面的線程可能會得不償失，畢竟操作系統實現線程之間的切換時需要從用戶態轉換到核心態，這個狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高，因此自旋鎖會假設在不久將來，當前的線程可以獲得鎖，因此虛擬機會讓當前想要獲取鎖的線程做幾個空循環(這也是稱為自旋的原因)，一般不會太久，可能是50個循環或100循環，在經過若干次循環後，如果得到鎖，就順利進入臨界區。如果還不能獲得鎖，那就會將線程在操作系統層面掛起，這就是自旋鎖的優化方式，這種方式確實也是可以提升效率的。最後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化，這種優化更徹底，Java虛擬機在JIT編譯時(可以簡單理解為當某段代碼即將第一次被執行時進行編譯，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屬於一個局部變量，並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。

<code>/**
 * Created by zejian on 2017/6/4.
 * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian 
 * 消除StringBuffer同步鎖
 */
public class StringBufferRemoveSync {
 
    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是線程安全,由於sb只會在append方法中使用,不可能被其他線程引用
        //因此sb屬於不可能共享的資源,JVM會自動消除內部的鎖
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            rmsync.add("abc", "123");
        }
    }
 
}/<code>

synchronize的可重入性：

從互斥鎖的設計上來說，當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，將會處於阻塞狀態，但當一個線程再次請求自己持有對象鎖的臨界資源時，這種情況屬於重入鎖，請求將會成功，在java中synchronized是基於原子性的內部鎖機制，是可重入的，因此在一個線程調用synchronized方法的同時在其方法體內部調用該對象另一個synchronized方法，也就是說一個線程得到一個對象鎖後再次請求該對象鎖，是允許的，這就是synchronized的可重入性。如下：

<code>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);
    }
}/<code>

正如代碼所演示的，在獲取當前實例對象鎖後進入synchronized代碼塊執行同步代碼，並在代碼塊中調用了當前實例對象的另外一個synchronized方法，再次請求當前實例鎖時，將被允許，進而執行方法體代碼，這就是重入鎖最直接的體現，需要特別注意另外一種情況，當子類繼承父類時，子類也是可以通過可重入鎖調用父類的同步方法。注意由於synchronized是基於monitor實現的，因此每次重入，monitor中的計數器仍會加1。

線程中斷：正如中斷二字所表達的意義，在線程運行(run方法)中間打斷它，在Java中，提供了以下3個有關線程中斷的方法

<code>//中斷線程（實例方法）
public void Thread.interrupt();
 
//判斷線程是否被中斷（實例方法）
public boolean Thread.isInterrupted();
 
//判斷是否被中斷並清除當前中斷狀態（靜態方法）
public static boolean Thread.interrupted();/<code>

等待喚醒機制與synchronize：所謂等待喚醒機制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用這3個方法時，必須處於synchronized代碼塊或者synchronized方法中，否則就會拋出IllegalMonitorStateException異常，這是因為調用這幾個方法前必須拿到當前對象的監視器monitor對象，也就是說notify/notifyAll和wait方法依賴於monitor對象，在前面的分析中，我們知道monitor 存在於對象頭的Mark Word 中(存儲monitor引用指針)，而synchronized關鍵字可以獲取 monitor ，這也就是為什麼notify/notifyAll和wait方法必須在synchronized代碼塊或者synchronized方法調用的原因。

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