Java并发—sychronized关键字

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1. synchronized实现前提

1.1 对象监视器monitor

任何一个对象都有一个monitor对象与之关联

monitor提供线程阻塞和唤醒机制

当一个monitor被某个线程持有，它将处于锁定状态（获取锁）

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;  //锁计数器,sychronized是可重入锁
    _waiters      = 0,  
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; //标识持有锁的线程
    _WaitSet      = NULL; //等待队列，与Object的wait()和notify()有关
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //同步队列，尝试获取锁的线程会进入EntryList，如果成功获得锁，则设置monitor的_owner为，如果没有成功获得锁，在EntryList中阻塞等待
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

核心字段

• _count：计数器，如果为0，表示没有线程获得锁，如果不为0，表示有线程取得锁（可以实现可重入锁，持有锁的线程每尝试再次获取锁，计数器都会+1）
• _owner：标识持有锁的线程
• _EntryList：一个线程如何尝试获取锁，会进入_EntryList，如果获得锁成功，将 _owner修改为自己；如果获得锁失败，则会在同步队列EntryList中阻塞等待
• _waitSet：等待队列，与Object的wait()和notify()有关，如果一个线程在持有锁时，调用了其wait()，那么该线程会进入其_waitSet中，阻塞，并释放锁，知道有其他线程在持有锁时，调用其notify()将线程唤醒

1.2 JVM提供的指令

synchronized在JVM中通过 monitorenter指令和 monitorexit指令来进入和退出同步代码块

• monitorenter指令

  编译器会将monitorenter插入在同步代码块开始的位置，执行该指令时，会尝试获取通同步对象的monitor对象的所有权（尝试获得锁）

• monitorexit指令

  编译器会将monitorexit插入在同步代码块的结束处或异常处，释放同步对象的monitor对象的所有权（释放锁）

1.3 Mark Word

对象由三个部分组成——对象头，实例数据，对齐填充

对象头结构如下（非数组2个字，数组3个字）

• 第一个字——Mark Word
• 第二个字——指向对象Class对象的指针
• 第三个字——数组长度

sychronized的实现与 Mark Word有关

1.4 栈帧中的锁记录

线程的栈帧中有一块空间——锁记录

• 线程如果成果获取偏向锁，会在锁记录中存储偏向锁偏向的线程ID
• 在尝试获取轻量级锁前，会把对象头的Mark Word复制到自己的锁记录中

2. 锁升级

JDK1.6前，sychronzied是重量级锁

JDK1.6做了优化，对锁进行了分类——无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁

2.1 锁升级过程

• 偏向锁

  持有偏向锁的线程使用完不会主动释放锁

  下一个线程尝试获取偏向锁，会尝试通过CAS将Mark Word中的线程ID替换为自己的，如果原来持有锁的线程已经结束了同步代码块，那么替换就会成功，下一个线程就会取得锁

• 轻量级锁

  持有锁的线程使用完后会尝试释放锁，如果释放失败，则升级为重量级锁

• 重量级锁

  会阻塞未获取锁的线程，除了重量级锁，其他情况下，未持有锁的线程不会阻塞

2.2 各个锁的优缺点

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外消耗	如果线程间存在锁竞争，撤销锁会带来额外消耗	适用于只有一个线程访问同步代码块的情况
轻量级锁	竞争锁的线程不会阻塞，加快响应速度	如果使用竞争不到锁，自旋会消耗CPU性能	追求响应速度
重量级锁	竞争锁的线程阻塞，不消耗CPU	线程阻塞，响应时间慢	追求吞吐量，同步代码快执行时间较长

3. sychronized的内存语义

• 保证可见性

  • 编译器会将monitorenter指令插入在同步代码块开始的位置，当线程执行到该指令时，会尝试获取同步对象的monitor的所有权（尝试获取锁），如果获取成功，则成功获得锁——JMM会将线程对应的本地内存设置为无效，从而使得该线程执行同步代码块时必须从主内存读取共享变量
  • 编译器会将monitorexit指令插入在同步代码块的结束处或异常处，当线程执行到该指令时，会释放同步对象的monitor的所有权(释放锁)，JMM会把线程本地内存中的副本刷新到主内存中

• 保证原子性

  只允许一个线程获得锁后执行同步代码块

• 保证有序性

  JMM不允许同步语句与非同步语句重排序，但是允许同步代码块内在不改变结果的前提下进行重排序（JMM虽然允许同步代码块内重排序，但是在程序员看来仍是有序的）

4. volatile与sychronized的区别

1. volatile更轻量，不需要加锁，不会阻塞线程
2. sychronized可以保证复合语句的原子性，volatile不行