一、synchronized 實(shí)現(xiàn)同步示例

public class MyThread extends Thread{

	private int count = 0;
	@ Override
	public synchronized void run() {
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
			try {
				System.out.println("線程名:"+Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
			} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
          	}
		}
	}
}

public class MyTest
	public static void main(String[] args) {
		MyThread myThread = new MyThread();
        Thread thread1 = new Thread( myThread, "SyncThread1");
     	Thread thread2 = new Thread( myThread, "SyncThread2");
        thread1.start();
    	thread2.start();
    }
}

分析：

通過new MyThread()創(chuàng)建了一個(gè)對象myThread，這時(shí)候堆中就存在了共享資源myThread，然后對myThread對象創(chuàng)建兩個(gè)線程，那么thread1線程和thread2線程就會(huì)共享myThread。thread1.start()和thead2.start()開啟了兩個(gè)線程，CPU會(huì)隨機(jī)調(diào)度這兩個(gè)線程。假如thread1先獲得synchronized鎖，那么thread1先把run()執(zhí)行完，然后釋放鎖。接著thread1獲得synchronized鎖，thread2把run()執(zhí)行完，然后釋放鎖。

二、synchronized 典型錯(cuò)誤示例

public class MyThread implements Runnable{
	private int count = 0;
	@ Override
	public synchronized void run() {
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
			try {
				System.out.println("線程名:"+Thread.currentThread().getName() + ":" + (count++));
			} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
          	}
		}
	}
}

public class MyTest
	public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用關(guān)鍵字synchronized每次調(diào)用進(jìn)行new SyncThread()");
        MyThread myThread1 = new MyThread();
        MyThread myThread2 = new MyThread();
        Thread thread1 = new Thread(myThread1, "SyncThread1");
        Thread thread2 = new Thread(myThread2, "SyncThread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

分析：

通過new MyThread()創(chuàng)建了兩個(gè)對象myThread1和myThread2，這時(shí)候堆中就存在了共享資源myThread1和myThread2，然后對myThread1對象創(chuàng)建一個(gè)線程thread1，對myThread2對象創(chuàng)建一個(gè)線程thread2，那么thread1線程就會(huì)共享myThread1，thread2線程就會(huì)共享myThread2，thread1.start()和thead2.start()開啟了兩個(gè)線程，CPU會(huì)隨機(jī)調(diào)度這兩個(gè)線程。那么thread1線程在執(zhí)行的時(shí)候就會(huì)獲取共享資源myThread1.run()的鎖，thread2線程在執(zhí)行的時(shí)候就會(huì)獲取共享資源myThread2.run()的鎖，顯然兩個(gè)線程共享的都不是同一個(gè)資源。

三、Java 對象頭與 Monitor

下面先來了解一個(gè)概念Java對象頭，這對深入理解synchronized實(shí)現(xiàn)原理非常關(guān)鍵。

在JVM中，對象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域：對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、填充數(shù)據(jù)

• 實(shí)例變量：存放類的屬性數(shù)據(jù)信息，包括父類的屬性信息.
• 填充數(shù)據(jù)：由于虛擬機(jī)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。

而對于頂部，則是Java頭對象，它實(shí)現(xiàn)synchronized的鎖對象的基礎(chǔ)，這點(diǎn)我們重點(diǎn)分析它，一般而言，synchronized使用的鎖對象是存儲(chǔ)在Java對象頭里的，jvm中采用2個(gè)字來存儲(chǔ)對象頭(如果對象是數(shù)組則會(huì)分配3個(gè)字，多出來的1個(gè)字記錄的是數(shù)組長度)，其主要結(jié)構(gòu)是由Mark Word 和 Class Metadata Address 組成，其結(jié)構(gòu)說明如下表：

其中Mark Word字段的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)鎖狀態(tài)而發(fā)生變化：

這里我們重點(diǎn)分析一下重量級鎖也就是通常說synchronized的對象鎖，鎖標(biāo)識位為10，其中指針指向的是monitor對象的起始地址。

每個(gè)對象都存在著一個(gè) monitor 與之關(guān)聯(lián)，對象與其 monitor 之間的關(guān)系有存在多種實(shí)現(xiàn)方式，如monitor可以與對象一起創(chuàng)建銷毀或當(dāng)線程試圖獲取對象鎖時(shí)自動(dòng)生成，但當(dāng)一個(gè) monitor 被某個(gè)線程持有后，它便處于鎖定狀態(tài)。

在Java虛擬機(jī)(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)的，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（位于HotSpot虛擬機(jī)源碼ObjectMonitor.hpp文件，C++實(shí)現(xiàn)的）

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //記錄個(gè)數(shù)
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; //處于wait狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會(huì)被加入到該列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor中有兩個(gè)隊(duì)列，_WaitSet（等待狀態(tài)） 和 _EntryList（阻塞狀態(tài)），都是用來保存ObjectWaiter對象列表（ _WaitSet和 _EntryList中的線程都會(huì)被封裝成ObjectWaiter對象），_owner指向持有ObjectMonitor對象的線程，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問一段同步代碼時(shí)，首先會(huì)進(jìn)入_EntryList集合，當(dāng)線程獲取到對象的monitor 后進(jìn)入_Owner區(qū)域，并把monitor中的owner變量設(shè)置為當(dāng)前線程，同時(shí)monitor中的計(jì)數(shù)器count加1，若線程調(diào)用 wait() 方法，將釋放當(dāng)前持有的monitor，owner變量恢復(fù)為null，count自減1，同時(shí)該線程進(jìn)入WaitSet集合中等待被喚醒。若當(dāng)前線程執(zhí)行完畢也將釋放monitor(鎖)并復(fù)位變量的值，以便其他線程進(jìn)入獲取monitor(鎖)。

四、synchronized代碼塊底層原理

public class SyncCodeBlock {

   public int i;

   public void syncTask(){
       //同步代碼庫
       synchronized (this){
           i++;
       }
   }
}

編譯上述代碼并使用javap反編譯后得到字節(jié)碼如下(這里我們省略一部分沒有必要的信息)：

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncCodeBlock.class
  Last modified 2017-6-2; size 426 bytes
  MD5 checksum c80bc322c87b312de760942820b4fed5
  Compiled from "SyncCodeBlock.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
  //........省略常量池中數(shù)據(jù)
  //構(gòu)造函數(shù)
  public com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock();
    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 7: 0
  //===========主要看看syncTask方法實(shí)現(xiàn)================
  public void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter  //注意此處，進(jìn)入同步方法
         4: aload_0
         5: dup
         6: getfield      #2             // Field i:I
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putfield      #2            // Field i:I
        14: aload_1
        15: monitorexit   //注意此處，退出同步方法
        16: goto          24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit //注意此處，退出同步方法
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:
      //省略其他字節(jié)碼.......
}
SourceFile: "SyncCodeBlock.java"

我們主要關(guān)注字節(jié)碼中的如下代碼

3: monitorenter  //進(jìn)入同步方法
//..........省略其他  
15: monitorexit   //退出同步方法
16: goto          24
//省略其他.......
21: monitorexit //退出同步方法

從字節(jié)碼中可知同步語句塊的實(shí)現(xiàn)使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令，其中monitorenter指令指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令則指明同步代碼塊的結(jié)束位置，當(dāng)執(zhí)行monitorenter指令時(shí)，當(dāng)前線程將試圖獲取 objectref(即對象鎖) 所對應(yīng)的 monitor 的持有權(quán)，當(dāng) objectref 的 monitor 的進(jìn)入計(jì)數(shù)器為 0，那線程可以成功取得 monitor，并將計(jì)數(shù)器值設(shè)置為 1，取鎖成功。如果當(dāng)前線程已經(jīng)擁有 objectref 的 monitor 的持有權(quán)，那它可以重入這個(gè) monitor(關(guān)于重入性稍后會(huì)分析)，重入時(shí)計(jì)數(shù)器的值也會(huì)加 1。倘若其他線程已經(jīng)擁有 objectref 的 monitor 的所有權(quán)，那當(dāng)前線程將被阻塞，直到正在執(zhí)行線程執(zhí)行完畢，即monitorexit指令被執(zhí)行，執(zhí)行線程將釋放 monitor(鎖)并設(shè)置計(jì)數(shù)器值為0 ，其他線程將有機(jī)會(huì)持有 monitor 。值得注意的是編譯器將會(huì)確保無論方法通過何種方式完成，方法中調(diào)用過的每條 monitorenter 指令都有執(zhí)行其對應(yīng) monitorexit 指令，而無論這個(gè)方法是正常結(jié)束還是異常結(jié)束。為了保證在方法異常完成時(shí) monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正確配對執(zhí)行，編譯器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)異常處理器，這個(gè)異常處理器聲明可處理所有的異常，它的目的就是用來執(zhí)行 monitorexit 指令。從字節(jié)碼中也可以看出多了一個(gè)monitorexit指令，它就是異常結(jié)束時(shí)被執(zhí)行的釋放monitor 的指令。

五、synchronized方法底層原理

方法級的同步是隱式，即無需通過字節(jié)碼指令來控制的，它實(shí)現(xiàn)在方法調(diào)用和返回操作之中。JVM可以從方法常量池中的方法表結(jié)構(gòu)(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志區(qū)分一個(gè)方法是否同步方法。當(dāng)方法調(diào)用時(shí)，調(diào)用指令將會(huì) 檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標(biāo)志是否被設(shè)置，如果設(shè)置了，執(zhí)行線程將先持有monitor（虛擬機(jī)規(guī)范中用的是管程一詞）， 然后再執(zhí)行方法，最后再方法完成(無論是正常完成還是非正常完成)時(shí)釋放monitor。在方法執(zhí)行期間，執(zhí)行線程持有了monitor，其他任何線程都無法再獲得同一個(gè)monitor。如果一個(gè)同步方法執(zhí)行期間拋 出了異常，并且在方法內(nèi)部無法處理此異常，那這個(gè)同步方法所持有的monitor將在異常拋到同步方法之外時(shí)自動(dòng)釋放。

補(bǔ)充：“獲取monitor” 在第四點(diǎn)提到過，就是把monitor中owner變量設(shè)置為當(dāng)前線程，同時(shí)monitor中的計(jì)數(shù)器count加1

六、Java虛擬機(jī)對synchronized的優(yōu)化

鎖的狀態(tài)總共有四種：無鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級鎖、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（自動(dòng)的），但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會(huì)出現(xiàn)鎖的降級。、

偏向鎖
鎖偏向是一種針對加鎖操作的優(yōu)化手段。它的核心思想是：如果一個(gè)線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式。當(dāng)這個(gè)線程再次請求鎖時(shí)，無須再做任何同步操作。這樣就節(jié)省了大量有關(guān)鎖申請的操作，從而提高了程序性能。

因此，對于幾乎沒有鎖競爭的場合，偏向鎖有比較好的優(yōu)化效果，因?yàn)檫B續(xù)多次極有可能是同一個(gè)線程請求相同的鎖。而對于鎖競爭比較激烈的場合，其效果不佳。因?yàn)樵诟偁幖ち业膱龊?，最有可能的情況是每次都是不同的線程來請求相同的鎖。這樣偏向模式會(huì)失效，因此還不如不啟用偏向鎖。

輕量級鎖
倘若偏向鎖失敗，虛擬機(jī)并不會(huì)立即升級為重量級鎖，它還會(huì)嘗試使用一種稱為輕量級鎖的優(yōu)化手段(1.6之后加入的)，此時(shí)Mark Word 的結(jié)構(gòu)也變?yōu)檩p量級鎖的結(jié)構(gòu)。

輕量級鎖能夠提升程序性能的依據(jù)是“對絕大部分的鎖，在整個(gè)同步周期內(nèi)都不存在競爭”，注意這是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。需要了解的是，輕量級鎖所適應(yīng)的場景是不同的線程交替執(zhí)行同一同步塊的場合，如果存在不同線程在同一時(shí)間訪問同一鎖的場合，就會(huì)導(dǎo)致輕量級鎖膨脹為重量級鎖。

自旋鎖
輕量級鎖失敗后，虛擬機(jī)為了避免線程真實(shí)地在操作系統(tǒng)層面掛起，還會(huì)進(jìn)行一項(xiàng)稱為自旋鎖的優(yōu)化手段。這是基于在大多數(shù)情況下，線程持有鎖的時(shí)間都不會(huì)太長，如果直接掛起操作系統(tǒng)層面的線程可能會(huì)得不償失，畢竟操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換時(shí)需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)，這個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時(shí)間，時(shí)間成本相對較高，因此自旋鎖會(huì)假設(shè)在不久將來，當(dāng)前的線程可以獲得鎖，因此虛擬機(jī)會(huì)讓當(dāng)前想要獲取鎖的線程做幾個(gè)空循環(huán)(這也是稱為自旋的原因)，一般不會(huì)太久，可能是50個(gè)循環(huán)或100循環(huán)，在經(jīng)過若干次循環(huán)后，如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)。如果還不能獲得鎖，那就會(huì)將線程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式，這種方式確實(shí)也是可以提升效率的。最后沒辦法也就只能升級為重量級鎖了。

重量級鎖
上述已經(jīng)講得 fi~ 常 清楚了。

鎖消除
消除鎖是虛擬機(jī)另外一種鎖的優(yōu)化，這種優(yōu)化更徹底，Java虛擬機(jī)在JIT編譯時(shí)(可以簡單理解為當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時(shí)進(jìn)行編譯，又稱即時(shí)編譯)，通過對運(yùn)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(jié)省毫無意義的請求鎖時(shí)間，如下StringBuffer的append是一個(gè)同步方法，但是在add方法中的StringBuffer屬于一個(gè)局部變量，并且不會(huì)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(huì)自動(dòng)將其鎖消除。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-444815.html

/**
 * Created by zejian on 2017/6/4.
 * Blog : http://blog.csdn.net/javazejian [原文地址,請尊重原創(chuàng)]
 * 消除StringBuffer同步鎖
 */
public class StringBufferRemoveSync {

    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是線程安全,由于sb只會(huì)在append方法中使用,不可能被其他線程引用
        //因此sb屬于不可能共享的資源,JVM會(huì)自動(dòng)消除內(nèi)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");
        }
    }
}

到了這里，關(guān)于【并發(fā)編程】深入理解Java并發(fā)之synchronized實(shí)現(xiàn)原理的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！