【JUC进阶】01. Synchroized实现原理

有一只柴犬

发布于 2024-01-25 10:42:56

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1、前言

Synchronized是在并发编程中很经常使用，Java中除了提供Lock等API来实现互斥以外，还提供了语法（关键字）层面的Synchronized来实现互斥同步原语，今天闲来聊聊Synchronized关键字。

2、Synchronized使用

Synchronized可以修饰代码块、方法或类。在多线程环境下，Synchronized能够确保同一时间只有一个线程访问被保护的代码块，从而避免了数据竞争和不一致的问题。

2.1、对象锁（Instance Lock）

对象锁是指对实例对象进行加锁，使得同一时间只有一个线程可以执行被保护的代码块。每个对象都有一个与之关联的监视器锁（Monitor Lock），也称为内部锁（Intrinsic Lock）或互斥锁（Mutex Lock）。只有获得了对象的锁，才能进入同步代码块执行。

示例代码：

public class MyClass {
    public  void synchronizedMethod() {
        synchronized (this) {
            // 同步代码块
            // ...   
        }

    }
}

synchronized关键字修饰的synchronizedMethod方法是一个同步方法，它的对象锁就是MyClass的实例对象。当多个线程调用这个方法时，只有一个线程能够获得对象锁，进入同步代码块执行，其他线程需要等待。

2.2、类锁（Class Lock）

类锁是指对类进行加锁，使得同一时间只有一个线程可以执行被保护的代码块。类锁是基于类对象而不是实例对象的，因此它在类的所有实例之间是共享的。

示例代码：

public class MyClass {
    public static synchronized void synchronizedMethod() {
        // 同步代码块
        // ...
    }
}

synchronized关键字修饰的synchronizedMethod方法是一个静态同步方法，它的类锁是MyClass类对象。因为类锁是在类级别上的，所以即使有多个MyClass的实例，它们共享同一个类锁。

2.3、方法锁（Method Lock）

方法锁是指对整个方法进行加锁，使得同一时间只有一个线程可以执行该方法。方法锁实际上是对象锁的一种特殊形式，它锁定的是该方法所属对象的实例。

示例代码：

public class MyClass {
    public synchronized void synchronizedMethod() {
        // 同步代码块
        // ...
    }
}

synchronized关键字修饰的synchronizedMethod方法是一个实例方法，它的方法锁就是该方法所属对象的实例。因此，同一时间只有一个线程能够执行该方法。

3、原理分析

我们先来写一段不带synchronized代码：

class SyncTest {
    public void method1() {
        method2();
    }

    private static void method2() {

    }
}

使用javac命令编译成.class文件，再通过反编译javap查看文件信息。

javap -verbose  xxx.class

可以看到如下信息：

加上synchronized代码后：

class SyncTest {
    public void method1() {
        synchronized (this) {

        }
        method2();
    }

    private static void method2() {

    }
}

再来javap反编译：

对比之下可以发现，加了synchronized方法多了monitorenter和monitorexit指令。

3.1、monitor对象

先来说说monitor对象。在Java中，每个对象都与一个Monitor对象关联。Monitor对象是用于实现Synchronized关键字的内部机制，它负责实现线程的互斥访问和等待/通知机制。每个Monitor对象都有一个锁标志和等待队列。而每个Java对象在内存中都有一个对象头，其中包含了Monitor相关的信息。

工作原理：
- 当线程执行到进入Synchronized块或方法时，会尝试获取对象的Monitor锁。
- 如果Monitor锁可用，线程获得锁并继续执行，同时锁标志设置为被当前线程持有。
- 如果Monitor锁已经被其他线程持有，线程进入阻塞状态，并被放入等待队列。
- 当持有锁的线程执行完Synchronized块或方法，并调用monitorexit指令释放锁时，等待队列中的一个线程被唤醒，然后竞争锁。
- 线程获取到锁后，锁标志设置为被该线程持有，其他等待线程继续等待或进入就绪状态。
等待/通知机制：
1. 在Monitor对象上等待的线程通过wait()方法进入等待状态，释放锁，并加入到等待队列中。
2. 调用notify()方法可以唤醒等待队列中的一个线程，使其进入就绪状态。
3. 调用notifyAll()方法可以唤醒等待队列中的所有线程，使它们进入就绪状态。
4. 唤醒的线程会尝试重新获得锁，一旦获得锁，就可以继续执行。
锁升级：
1. 偏向锁（Biased Locking）：当一个线程获取到锁时，Monitor会记录该线程的Thread ID，以后该线程再次获取锁时就无需竞争。
2. 轻量级锁（Lightweight Locking）：当多个线程争用同一个锁时，锁会升级为轻量级锁，使用CAS（Compare and Swap）操作来加锁和解锁。
3. 重量级锁（Heavyweight Locking）：当轻量级锁获取锁的过程中发生竞争，锁会升级为重量级锁，使用互斥量来实现锁的获取和释放。

3.2、monitorenter

monitorenter指令用于获取对象的Monitor，即加锁操作。执行monitorenter指令时，首先会尝试获取对象的锁，如果锁可用，则线程获得锁，并继续执行后续的指令。如果锁已经被其他线程持有，则当前线程会进入阻塞状态，等待锁的释放。当线程成功获取到锁后，会将锁的计数器加1，表示当前线程持有锁的数量。

3.3、monitorexit

monitorexit指令用于释放对象的Monitor，即解锁操作。执行monitorexit指令时，会将锁的计数器减1。如果锁的计数器为0，表示当前线程已经释放了该锁，其他等待锁的线程可以继续竞争获取锁。如果锁的计数器仍大于0，表示当前线程仍持有锁，其他线程仍无法获取该锁。

网上借来一张图说明对象，对象监视器，同步队列以及执行线程状态之间的关系：

该图可以看出，任意线程对Object的访问，首先要获得Object的监视器，如果获取失败，该线程就进入同步状态，线程状态变为BLOCKED，当Object的监视器占有者释放后，在同步队列中得线程就会有机会重新获取该监视器。

3.4、对象锁的原理

当一个线程要执行被Synchronized修饰的同步代码块时，它需要先获得对象的监视器锁（Monitor Lock）。如果对象锁被其他线程占用，则该线程会进入阻塞状态，直到获取到对象锁后才能执行同步代码块。对象锁的实现是基于对象头中的标记位实现的，它通过CAS（Compare and Swap）操作来保证线程的互斥访问。

3.5、类锁的原理

类锁的实现与对象锁类似，不同之处在于类锁是基于类对象而不是实例对象的。类对象在JVM中只有一份，所以类锁在整个类的所有实例之间是共享的。类锁的实现同样是基于对象头中的标记位实现的。

3.6、方法锁的原理

方法锁实际上就是实例对象锁或类对象锁，其原理与对象锁和类锁相同。方法锁的加锁粒度是整个方法，即在进入方法前获取锁，在方法执行完毕后释放锁。

4、Synchronized的优化与改进

减小锁的粒度：在并发环境下，锁的争用是造成性能瓶颈的主要原因之一。通过减小锁的粒度，将一个大的同步代码块拆分成多个小的同步代码块，可以降低锁的竞争，提高并发性能。
使用局部变量代替实例变量：在某些情况下，可以将实例变量赋值给局部变量，然后在同步代码块内部使用局部变量，避免对实例变量的频繁访问，从而减少对锁的竞争。
使用读写锁：如果某个共享资源大部分时间是读取操作，少部分时间是写入操作，可以考虑使用读写锁（ReadWriteLock）。读写锁提供了更细粒度的锁控制，允许多个线程同时读取共享数据，而对写入操作进行互斥。
使用并发容器：JUC提供了一些并发容器，如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等，它们在实现上使用了更复杂的锁机制，能够提供更好的并发性能。如果需要在多线程环境下使用容器，可以考虑使用这些并发容器。
使用Lock接口：除了Synchronized关键字外，JUC还提供了Lock接口及其实现类，如ReentrantLock、ReadWriteLock等。相比于Synchronized，Lock提供了更灵活的锁控制，可以手动获取和释放锁，并支持公平锁和非公平锁的选择。
避免死锁：死锁是多线程编程中常见的问题，它发生在多个线程相互等待对方释放锁的情况下。为避免死锁，应尽量减少锁的嵌套使用，按照相同的顺序获取锁，避免循环等待，以及合理设计锁的粒度。
考虑性能与安全的平衡：在并发编程中，性能和安全是需要平衡的。过多的同步操作可能会影响性能，而过少的同步操作可能会引发线程安全问题。需要根据具体情况综合考虑，选择适当的同步策略。