java中的synchronized是什么
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一、synchronized实现锁的表现形式
修饰实例方法,对于普通同步方法,锁是当前的实例对象
修饰静态方法,对于静态同步方法,锁是当前的Class对象
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monitorenter
和 monitorexit
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monitorenter
和 monitorexit
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 Word
和 Class 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 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
和轻量级锁
,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:
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."":()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monitorenter
和 monitorexit
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."":()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
#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 // "":()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."":()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!
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