Synchronized用法原理和鎖優化升級過程(面試)

簡介

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多線程一直是面試中的重點和難點，無論你現在處於啥級別段位，對synchronized關鍵字的學習避免不了，這是我的心得體會。下面咱們以面試的思維來對synchronized做一個系統的描述，如果有面試官問你，說說你對synchronized的理解？你可以從synchronized使用層面，synchronized的JVM層面，synchronized的優化層面3個方面做系統回答，說不定面試官會對你刮目相看哦！文章會有大量的代碼是方便理解的，如果你有時間一定要動手敲下加深理解和記憶。如果這篇文章能對您能有所幫助是我創作路上最大欣慰。

synchronized使用層面

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大家都知道synchronized是一把鎖，鎖究竟是什么呢？舉個例子，你可以把鎖理解為廁所門上那把鎖的唯一鑰匙，每個人要進去只能拿着這把鑰匙可以去開這個廁所的門，這把鑰匙在一時刻只能有一個人擁有，有鑰匙的人可以反復出入廁所，在程序中我們叫做這種重復出入廁所行為叫鎖的可重入。它可以修飾靜態方法，實例方法和代碼塊 ，那下面我們一起來看看synchronized用於同步代碼鎖表達的意思。

• 對於普通同步方法，鎖的是對象實例。
• 對於靜態同步方法，鎖的是類的Class對象。
• 對於同步代碼塊，鎖的是括號中的對象。

先說下同步和異步的概念。

• 同步：交替執行。
• 異步：同時執行。

舉個例子比如吃飯和看電視兩件事情，先吃完飯后再去看電視，在時間維度上這兩件事是有先后順序的，叫同步。可以一邊吃飯，一邊看刷劇，在時間維度上是不分先后同時進行的，飯吃完了電視也看了，就可以去學習了，這就是異步，異步的好處是可以提高效率，這樣你就可以節省時間去學習了。

下面我們看看代碼，代碼中有做了很詳細的注釋，可以復制到本地進行測試。如果有synchronized基礎的童鞋，可以跳過鎖使用層面的講解。

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-17 14:48
 * @description：測試靜態方法同步和普通方法同步是不同的鎖,包括synchronized修飾的靜態代碼塊用法;
 * @modified By：
 * 公眾號:叫練
 */
public class SyncTest {

    public static void main(String[] args) {
        Service service = new Service();
        /**
         * 啟動下面4個線程，分別測試m1-m4方法。
         */
        Thread threadA = new Thread(() -> Service.m1());
        Thread threadB = new Thread(() -> Service.m2());
        Thread threadC = new Thread(() -> service.m3());
        Thread threadD = new Thread(() -> service.m4());
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();
        threadD.start();

    }

    /**
     * 此案例說明了synchronized修飾的靜態方法和普通方法獲取的不是同一把鎖，因為他們是異步的，相當於是同步執行;
     */
    private static class Service {
        /**
         * m1方法synchronized修飾靜態方法，鎖表示鎖定的是Service.class
         */
        public synchronized static void m1() {
            System.out.println("m1 getlock");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("m1 releaselock");
        }

        /**
         * m2方法synchronized修飾靜態方法，鎖表示鎖定的是Service.class
         * 當線程AB同時啟動，m1和m2方法是同步的。可以證明m1和m2是同一把鎖。
         */
        public synchronized static void m2() {
            System.out.println("m2 getlock");
            System.out.println("m2 releaselock");
        }

        /**
         * m3方法synchronized修飾的普通方法，鎖表示鎖定的是Service service = new Service();中的service對象；
         */
        public synchronized void m3() {
            System.out.println("m3 getlock");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("m3 releaselock");
        }

        /**
         * 1.m4方法synchronized修飾的同步代碼塊，鎖表示鎖定的是當前對象實例,也就是Service service = new Service();中的service對象；和m3一樣，是同一把鎖；
         * 2.當線程CD同時啟動，m3和m4方法是同步的。可以證明m3和m4是同一把鎖。
         * 3.synchronized也可以修飾其他對象，比如synchronized (Service.class),此時m4,m1,m2方法是同步的，啟動線程ABD可以證明。
         */
        public void m4() {
            synchronized (this) {
                System.out.println("m4 getlock");
                System.out.println("m4 releaselock");
            }
        }

    }
}

 

經過上面的測試，你可以能會有疑問，鎖既然是存在的，那它存儲在什么地方？答案：對象里面。下面我們用代碼來證明下。

鎖在對象頭里面，一個對象包括對象頭，實例數據和對齊填充。對象頭包括MarkWord和對象指針，對象指針是指向方法區的對象類型的，，實例對象就是屬性數據，一個對象可能有很多屬性，屬性是動態的。對齊填充是為了補齊字節數的，如果對象大小不是8字節的整數倍，需要補齊剩余的字節數，這是方便計算機來計算的。在64位機器里面，一個對象的對象頭一般占12個自己大小，在64位操作系統一般占4個字節，所以MarkWord就是8個字節了。

MarkWord包括對象hashcode，偏向鎖標志位，線程id和鎖的標識。為了方便測試對象頭的內容，需要引入maven openjdk的依賴包。

<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol-core</artifactId>
  <version>0.10</version>
</dependency>

 

 

/**
 * @author ：duyang
 * @date ：Created in 2020-05-14 20:21
 * @description：對象占用內存
 * @modified By：
 *
 *  Fruit對象頭是12字節（markword+class）
 *  int 占4個字節
 *
 *  32位機器可能占8個字節;
 *
 *  Object對象頭12 對齊填充4 一共是16
 */
public class ObjectMemory {
    public static void main(String[] args) {
        //System.out.print(ClassLayout.parseClass(Fruit.class).toPrintable());
        System.out.print(ClassLayout.parseInstance(Fruit.class).toPrintable());
    }
}

/**
 *Fruit 測試類
 */
public class Fruit {

    //占一個字節大小
    private boolean flag;

}

 

 

測試結果：下面畫紅線的3行分別表示對象頭，實例數據和對齊填充。對象頭是12個字節，實例數據Fruit對象的一個boolean字段flag占1個字節大小，其余3個字節是對齊填充的部分，一共是16個字節大小。

 

咦？你說的鎖呢，怎么沒有看到呢？小伙，別着急，待會我們講到synchronized升級優化層面的時候再來詳細分析一波。下面我們先分析下synchronized在JVM層面的意思。

 

最后上圖文總結：

 

synchronized JVM層面

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/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-20 13:43
 * @description：鎖的jvm層面使用
 * @modified By：
 * 公眾號:叫練
 */
public class SyncJvmTest {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (SyncJvmTest.class) {
            System.out.println("jvm同步測試");
        }
    }
}

 

上面的案例中，我們同步代碼塊中我們簡單輸出一句話，我們主要看看jvm中它是怎么實現的。我們用Javap -v SyncJvmTest.class反編譯出上面的代碼，如下圖所示。

上圖第一行有一個monitorenter和第六行一個monitorexit，中間的jvm指令（2-5行）對應的Java代碼中的main方法的代碼，synchronized就是依賴於這兩個指令實現。我們來看看JVM規范中monitorenter語義。

1. 每個對象都有一把鎖，當一個線程進入同步代碼塊，都會去獲取這個對象所持有monitor對象鎖（C++實現），如果當前線程獲取鎖，會把monitor對象進入數自增1次。
2. 如果該線程重復進入，會把monitor對象進入數再次自增1次。
3. 當有其他線程進入，會把其他線程放入等待隊列排隊，直到獲取鎖的線程將monitor對象的進入數設置為0釋放鎖，其他線程才有機會獲取鎖。

 

synchronized的優化層面

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synchronized是一個重量級鎖，主要是因為線程競爭鎖會引起操作系統用戶態和內核態切換，浪費資源效率不高，在jdk1.5之前，synchronized沒有做任何優化，但在jdk1.6做了性能優化，它會經歷偏向鎖，輕量級鎖，最后才到重量級鎖這個過程，在性能方面有了很大的提升，在jdk1.7的ConcurrentHashMap是基於ReentrantLock的實現了鎖，但在jdk1.8之后又替換成了synchronized，就從這一點可以看出JVM團隊對synchronized的性能還是挺有信心的。下面我們分別來介紹下無鎖，偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖。下面我們我畫張圖來描述這幾個級別鎖的在對象頭存儲狀態。如圖所示。

• 無鎖。如果不加synchronized關鍵字，表示無鎖，很好理解。
• 偏向鎖。

• 升級過程：當線程進入同步塊時，Markword會存儲偏向線程的id並且cas將Markword鎖狀態標識為01，是否偏向用1表示當前處於偏向鎖（對着上圖來看），如果是偏向線程下次進入同步代碼只要比較Markword的線程id是否和當前線程id相等，如果相等不用做任何操作就可以進入同步代碼執行，如果不比較后不相等說明有其他線程競爭鎖，synchronized會升級成輕量級鎖。這個過程中在操作系統層面不用做內核態和用戶態的切換，減少切換線程帶來的資源消耗。
• 膨脹過程：當有另外線程進入，偏向鎖會升級成輕量級鎖。比如線程A是偏向鎖，這是B線程進入，就會成輕量級鎖，只要有兩個線程就會升級成輕量級鎖。

下面我們代碼來看下偏向鎖的鎖狀態。

package com.duyang.base.basic.markword;

import lombok.SneakyThrows;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-19 11:25
 * @description：markword測試
 * @modified By：
 * 公眾號:叫練
 */
public class MarkWordTest {

    private static Fruit fruit = new Fruit();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Task task = new Task();
        Thread threadA = new Thread(task);
        Thread threadB = new Thread(task);
        Thread threadC = new Thread(task);
        threadA.start();
        //threadA.join();
        //threadB.start();
        //threadC.start();
    }

    private static class Task extends Thread {

        @SneakyThrows
        @Override
        public void run() {
            synchronized (fruit) {
                System.out.println("==================="+Thread.currentThread().getId()+" ");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.print(ClassLayout.parseInstance(fruit).toPrintable());
            }
        }
    }
}

 

上面代碼啟動線程A，控制台輸出如下圖所示，紅色標記3個bit是101分別表示，高位的1表示是偏向鎖，01是偏向鎖標識位。符合偏向鎖標識的情況。

• 輕量級鎖。

• 升級過程：在線程運行獲取鎖后，會在棧幀中創造鎖記錄並將MarkWord復制到鎖記錄，然后將MarkWord指向鎖記錄，如果當前線程持有鎖，其他線程再進入，此時其他線程會cas自旋，直到獲取鎖，輕量級鎖適合多線程交替執行，效率高（cas只消耗cpu，我在cas原理一篇文章中詳細講過。）。
• 膨脹過程：有兩種情況會膨脹成重量級鎖。1種情況是cas自旋10次還沒獲取鎖。第2種情況其他線程正在cas獲取鎖，第三個線程競爭獲取鎖，鎖也會膨脹變成重量級鎖。

下面我們代碼來測試下輕量級鎖的鎖狀態。

打開23行-24行代碼，執行線程A，B，我的目的是順序執行線程A B ，所以我在代碼中先執行threadA.join()，讓A線程先執行完畢，再執行B線程，如下圖所示MarkWord鎖狀態變化，線程A開始是偏向鎖用101表示，執行線程B就變成輕量級鎖了，鎖狀態變成了00，符合輕量級鎖鎖狀態。證明完畢。

• 重量級鎖。重量級鎖升級后是不可逆的，也就是說重量鎖不可以再變為輕量級鎖。

打開25行代碼，執行線程A，B，C，我的目的是先執行線程A，在代碼中先執行threadA.join()，讓A線程先執行完畢，然后再同時執行線程BC ，如下圖所示看看MarkWord鎖狀態變化，線程A開始是偏向鎖，到同時執行線程BC，因為有激烈競爭，屬於輕量級鎖膨脹條件第2種情況，當其他線程正在cas獲取鎖，第三個線程競爭獲取鎖，鎖也會膨脹變成重量級鎖。此時BC線程鎖狀態都變成了10，這種情況符合重量級鎖鎖狀態。膨脹重量級鎖證明完畢。

 

 

到此為止，我們已經把synchronized鎖升級過程中的鎖狀態通過代碼的形式都證明了一遍，希望對你有幫助。下圖是自己總結。

 

總結

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多線程synchronized一直是個很重要的話題，也是面試中常見的考點。希望大家都能盡快理解掌握，分享給你們希望你們喜歡！

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