java中的synchronized是什么

蜗牛 互联网技术资讯 2022-05-30 53 0

这篇文章主要介绍了java中的synchronized是什么的相关知识,内容详细易懂,操作简单快捷,具有一定借鉴价值,相信大家阅读完这篇java中的synchronized是什么文章都会有所收获,下面我们一起来看看吧。

一、synchronized实现锁的表现形式

  1. 修饰实例方法,对于普通同步方法,锁是当前的实例对象

  2. 修饰静态方法,对于静态同步方法,锁是当前的Class对象

  3. 修饰方法代码块,对于同步方法块,锁是synchronized括号里面配置的对象!

当一个线程试图访问同步代码块的时候,就必须得到锁,完成后(或者出现异常),就必须释放锁。那么锁究竟存在什么地方呢?我们一块来探究!

不过,相信,既然大家能够找到这篇文章,相信大家对他的使用早已了熟于心,我们对于使用,以及为什么多线程情况下,数据会出现错乱情况,不做详细的解释!只把他的几种使用方式列出,供参考!

①修饰实例方法

修饰实例方法,对于普通同步方法,锁是当前的实例对象

这个没得说,使用的同一个实例,添加上synchronized后,线程需要排队,完成一个原子操作,但是注意前提是使用的同一个实例,他才会生效!

正例:

/**
* @author huangfu
*/
public class ExploringSynchronized implements Runnable {
   /**
    * 共享资源(临界资源)
    */
   static int i=0;
   public synchronized void add(){
       i++;
   }

   @Override
   public void run() {
       for (int j = 0; j < 100000; j++) {
           add();
       }
   }

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       ExploringSynchronized exploringSynchronized = new ExploringSynchronized();
       Thread t1 = new Thread(exploringSynchronized);
       Thread t2 = new Thread(exploringSynchronized);
       t1.start();
       t2.start();
       //join 主线程需要等待子线程完成后在结束
       t1.join();
       t2.join();
       System.out.println(i);

   }
}

反例:

/**
* @author huangfu
*/
public class ExploringSynchronized implements Runnable {
   /**
    * 共享资源(临界资源)
    */
   static int i=0;
   public synchronized void add(){
       i++;
   }

   @Override
   public void run() {
       for (int j = 0; j < 100000; j++) {
           add();
       }
   }

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       Thread t1 = new Thread(new ExploringSynchronized());
       Thread t2 = new Thread(new ExploringSynchronized());
       t1.start();
       t2.start();
       //join 主线程需要等待子线程完成后在结束
       t1.join();
       t2.join();
       System.out.println(i);

   }
}

这种,即使你在方法上加上了synchronized也无济于事,因为,对于普通同步方法,锁是当前的实例对象!实例对象都不一样了,那么他们之间的锁自然也就不是同一个!

②修饰静态方法

修饰静态方法,对于静态同步方法,锁是当前的Class对象

从定义上可以看出来,他的锁是类对象,那么也就是说,以上面那个类为例:普通方法的锁对象是 new ExploringSynchronized()而静态方法对应的锁对象是ExploringSynchronized.class所以对于静态方法添加同步锁,即使你重新创建一个实例,它拿到的锁还是同一个!

package com.byit.test;

/**
* @author huangfu
*/
public class ExploringSynchronized implements Runnable {
   /**
    * 共享资源(临界资源)
    */
   static int i=0;
   public synchronized static void add(){
       i++;
   }

   @Override
   public void run() {
       for (int j = 0; j < 100000; j++) {
           add();
       }
   }

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       Thread t1 = new Thread(new ExploringSynchronized());
       Thread t2 = new Thread(new ExploringSynchronized());
       t1.start();
       t2.start();
       //join 主线程需要等待子线程完成后在结束
       t1.join();
       t2.join();
       System.out.println(i);

   }
}

当然,结果是我们期待的  200000

③修饰方法代码块

修饰方法代码块,对于同步方法块,锁是synchronized括号里面配置的对象!

package com.byit.test;

/**
* @author huangfu
*/
public class ExploringSynchronized implements Runnable {
   /**
    * 锁标记
    */
   private static final String LOCK_MARK = "LOCK_MARK";
   /**
    * 共享资源(临界资源)
    */
   static int i=0;
   public void add(){
       synchronized (LOCK_MARK){
           i++;
       }
   }

   @Override
   public void run() {
       for (int j = 0; j < 100000; j++) {
           add();
       }
   }

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       Thread t1 = new Thread(new ExploringSynchronized());
       Thread t2 = new Thread(new ExploringSynchronized());
       t1.start();
       t2.start();
       //join 主线程需要等待子线程完成后在结束
       t1.join();
       t2.join();
       System.out.println(i);

   }
}

对于同步代码块,括号里面是什么,锁对象就是什么,里面可以使用this  字符串  对象等等!

二、synchronized的底层实现

java中synchronized的实现是基于进入和退出的 Monitor对象实现的,无论是显式同步(修饰代码块,有明确的monitorentermonitorexit指令)还是隐式同步(修饰方法体)!

需要注意的是,只有修饰代码块的时候,才是基于monitorentermonitorexit指令来实现的;修饰方法的时候,是通过另一种方式实现的!我会放到后面去说!

在了解整个实现底层之前,我还是希望你能够大致了解一下对象在内存中的结构详情!

  • 实例变量:存放类的属性数据信息,包括父类的属性信息,如果是数组的实例部分还包括数组的长度,这部分内存按4字节对齐。

  • 填充数据:由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的,仅仅是为了字节对齐,这点了解即可。

这两个概念,我们简单理解就好!我们今天并不去探究对象的构成原理!我们着重探究一下对象头,他对我们理解锁尤为重要!

一般而言,synchronized使用的锁存在于对象头里面!如果是数组对象,则虚拟机使用3个字宽存储对象,如果是非数组对象,则使用两个字宽存储对象头!字虚拟机里面1字宽等于4字节!主要结构是 Mark WordClass Metadata Address组成,结构如下:

虚拟机位数 头对象结构 说明
32/64bit Mark Word 存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志等信息
32/64bit Class Metadata Address 存储到队形类型数据的指针
32/64bit(数组) Aarray length 数组的长度

通过上述表格能够看出  锁信息 存在于 Mark Word  内,那么 Mark Word 内又是如何组成的呢?

锁状态 25bit 4bit 1bit是否是偏向锁 2bit锁标志位
无锁状态 对象的hashcode 对象的分代年龄 0 01

在运行起见,mark Word 里存储的数据会随着锁的标志位的变化而变化。mark Word可能变化为存储一下四种数据

java中的synchronized是什么  java 第1张

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的消耗,引入了偏向锁轻量级锁,从之前上来就是重量级锁到1.6之后,锁膨胀升级的优化,极大地提高了synchronized的效率;

锁一共有4中状态,级别从低到高:

java中的synchronized是什么  java 第2张

这几个状态会随着锁的竞争,逐渐升级。锁可以升级,但是不能降级,其根本的原因就是为了提高获取锁和释放锁的效率!

那么,synchronized是又如何保证的线程安全的呢?或许我们需要从字节码寻找答案!

package com.byit.test;

/**
* @author Administrator
*/
public class SynText {
   private static String A = "a";
   public int i ;

   public void add(){
       synchronized (A){
           i++;
       }

   }
}

反编译的字节码

Compiled from "SynText.java"
public class com.byit.test.SynText {
 public int i;

 public com.byit.test.SynText();
   Code:
      0: aload_0
      1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
      4: return

 public void add();
   Code:
      0: getstatic     #2                  // Field A:Ljava/lang/String;
      3: dup
      4: astore_1
      5: monitorenter
      6: aload_0
      7: dup
      8: getfield      #3                  // Field i:I
     11: iconst_1
     12: iadd
     13: putfield      #3                  // Field i:I
     16: aload_1
     17: monitorexit
     18: goto          26
     21: astore_2
     22: aload_1
     23: monitorexit
     24: aload_2
     25: athrow
     26: return
   Exception table:
      from    to  target type
          6    18    21   any
         21    24    21   any

 static {};
   Code:
      0: ldc           #4                  // String a
      2: putstatic     #2                  // Field A:Ljava/lang/String;
      5: return
}

省去不必要的,简化在简化

   5: monitorenter
     ...
     17: monitorexit
     ...
     23: monitorexit

从字节码中可知同步语句块的实现使用的是monitorentermonitorexit指令,其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置,monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置,当执行monitorenter指令的时候,线程将试图获取对象所所对应的monitor特权,当monitor的的计数器为0的时候,线程就可以获取monitor,并将计数器设置为1.去锁成功!如果当前线程已经拥有monitor特权,则可以直接进入方法(可重入锁),计数器+1;如果其他线程已经拥有了monitor特权,那么本县城将会阻塞!

拥有monitor特权的线程执行完成后释放monitor,并将计数器设置为0;同时执行monitorexit指令;不要担心出现异常无法执行monitorexit指令;为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行,编译器会自动产生一个异常处理器,这个异常处理器声明可处理所有的异常,它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令,它就是异常结束时被执行的释放monitor 的指令。

同步代码块的原理了解了,那么同步方法如何解释?不急,我们不妨来反编译一下同步方法的状态!

javap -verbose -p SynText > 3.txt

代码

package com.byit.test;

/**
* @author huangfu
*/
public class SynText {
   public int i ;

   public synchronized void add(){
       i++;

   }
}

字节码

Classfile /D:/2020project/byit-myth-job/demo-client/byit-demo-client/target/classes/com/byit/test/SynText.class
 Last modified 2020-1-6; size 382 bytes
 MD5 checksum e06926a20f28772b8377a940b0a4984f
 Compiled from "SynText.java"
public class com.byit.test.SynText
 minor version: 0
 major version: 52
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
  #1 = Methodref          #4.#17         // java/lang/Object."<init>":()V
  #2 = Fieldref           #3.#18         // com/byit/test/SynText.i:I
  #3 = Class              #19            // com/byit/test/SynText
  #4 = Class              #20            // java/lang/Object
  #5 = Utf8               i
  #6 = Utf8               I
  #7 = Utf8               <init>
  #8 = Utf8               ()V
  #9 = Utf8               Code
 #10 = Utf8               LineNumberTable
 #11 = Utf8               LocalVariableTable
 #12 = Utf8               this
 #13 = Utf8               Lcom/byit/test/SynText;
 #14 = Utf8               syncTask
 #15 = Utf8               SourceFile
 #16 = Utf8               SynText.java
 #17 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
 #18 = NameAndType        #5:#6          // i:I
 #19 = Utf8               com/byit/test/SynText
 #20 = Utf8               java/lang/Object
{
 public int i;
   descriptor: I
   flags: ACC_PUBLIC

 public com.byit.test.SynText();
   descriptor: ()V
   flags: ACC_PUBLIC
   Code:
     stack=1, locals=1, args_size=1
        0: aload_0
        1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
        4: return
     LineNumberTable:
       line 6: 0
     LocalVariableTable:
       Start  Length  Slot  Name   Signature
           0       5     0  this   Lcom/byit/test/SynText;

 public synchronized void syncTask();
   descriptor: ()V
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
   Code:
     stack=3, locals=1, args_size=1
        0: aload_0
        1: dup
        2: getfield      #2                  // Field i:I
        5: iconst_1
        6: iadd
        7: putfield      #2                  // Field i:I
       10: return
     LineNumberTable:
       line 10: 0
       line 11: 10
     LocalVariableTable:
       Start  Length  Slot  Name   Signature
           0      11     0  this   Lcom/byit/test/SynText;
}
SourceFile: "SynText.java"

简化,在简化

 public synchronized void syncTask();
   descriptor: ()V
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
   Code:
     stack=3, locals=1, args_size=1
        0: aload_0
        1: dup

我们能够看到 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED这样的一句话

从字节码中可以看出,synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令,取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识,该标识指明了该方法是一个同步方法,JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法,从而执行相应的同步调用。这便是synchronized锁在同步代码块和同步方法上实现的基本原理。

那么在JAVA6之前,为什么synchronized会如此的慢?

那是因为,操作系统实现线程之间的切换需要系统内核从用户态切换到核心态!这个状态之间的转换,需要较长的时间,时间成本高!所以这也就是synchronized慢的原因!

三、锁膨胀的过程

在这之前,你需要知道什么是锁膨胀!他是JAVA6之后新增的一个概念!是一种针对之前重量级锁的一种性能的优化!他的优化,大部分是基于经验上的一些感官,对锁来进行优化!

①偏向锁

研究发现,大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且还总是由一条线程获得!因为为了减少锁申请的次数!引进了偏向锁!在没有锁竞争的情况下,如果一个线程获取到了锁,那么锁就进入偏向锁的模式!当线程再一次请求锁时,无需申请,直接获取锁,进入方法!但是前提是没有锁竞争的情况,存在锁竞争,锁会立即膨胀,膨胀为轻量级锁!

②轻量级锁

偏向锁失败,那么锁膨胀为轻量级锁!此时锁机构变为轻量级锁结构!他的经验依据是:“绝大多数情况下,在整个同步周期内,不会存在锁的竞争”,故而,轻量级锁适合,线程交替进行的场景!如果在同一时间出现两条线程对同一把锁的竞争,那么此时轻量级锁就不会生效了!但是,jdk官方为了是锁的优化性能更好,轻量级锁失效后,并不会立即膨胀为重量级锁!而是将锁转换为自旋锁状态!

③自旋锁

轻量级锁失败后,为了是避免线程挂起,引起内核态的切换!为了优化,此时线程会进入自选状态!他可能会进行几十次,上百次的空轮训!为什么呢?又是经验之谈!他们认为,大多数情况下,线程持有锁的时间都不会太长!做几次空轮训,就能大概率的等待到锁!事实证明,这种优化方式确实有效!最后如果实在等不到锁!没办法,才会彻底升级为重量级锁!

④锁消除

jvm在进行代码编译时,会基于上下文扫描;将一些不可能存在资源竞争的的锁给消除掉!这也是JVM对于锁的一种优化方式!不得不感叹,jdk官方的脑子!举个例子!在方法体类的局部变量对象,他永远也不可能会发生锁竞争,例如:

/**
* @author huangfu
*/
public class SynText {
   public static void add(String name1 ,String name2){
       StringBuffer sb = new StringBuffer();
       sb.append(name1).append(name2);
   }

   public static void main(String[] args) {
       for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
           add("w"+i,"q"+i);
       }
   }
}

不能否认,StringBuffer是线程安全的!但是他永远也不会被其他线程引用!故而,锁失效!故而,被消除掉!

关于“java中的synchronized是什么”这篇文章的内容就介绍到这里,感谢各位的阅读!相信大家对“java中的synchronized是什么”知识都有一定的了解,大家如果还想学习更多知识,欢迎关注蜗牛博客行业资讯频道。

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