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sychronized关键字的作用是什么

本篇文章给大家分享的是有关sychronized关键字的作用是什么，小编觉得挺实用的，因此分享给大家学习，希望大家阅读完这篇文章后可以有所收获，话不多说，跟着小编一起来看看吧。

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sychronized用法

修饰代码段

public class Test {
	Object lock = new Object();
	int i = 0;
	public void f() {
		sychronized (lock) {
			i++;
		}
	}
}

适用于方法体比较大或者耗时，但需要同步的代码块比较短的场景。

修饰非静态类方法

public class Test {
	
	int i = 0;
	public sychronized void f() {
		i++;
	}
}

当sychronized关键字修饰一个非静态方法的时候，其锁对象是所修饰方法所属的实例。也就是说若a实例有m1和m2两个方法都被sychronized关键字修饰，那么他们是没法在多个线程中同时执行的，存在对a实例的锁竞争。

修饰静态方法

public class Test {
	public sychronized void f() {
		System.out.println("test sychronized");
	}
}

当sychronized修饰静态方法是，其锁对象是所修饰方法所属的class对象。

sychronized原理

对sychronized支持的实现是在JVM层面的，每个Java对象都存在一个叫做对象监视器的结构，而同步过程就是依赖于对这个同步监视器的持有权的竞争来实现的。下面介绍一个概念————对象头。

Java对象头

每个Java对象在JVM中都分为三块区域：对象头，实例数据和填充对齐。

  • 实例数据：存放类及其父类的属性信息

  • 填充对齐：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。所以不满整数倍的会有一些额外的空间来补齐，类似于C语言中的结构体。

而对象头则是存储了一些Java对象的额外信息，主要包括一些运行时数据（Mark Word）、类型指针、若对象为数组，则还包括数组长度。运行时数据有：hashcode、GC分代年龄、锁状态标识、以及根据不同锁的类型，该结构的内容也会有一些变化。sychronized用的锁就是存在Java对象头里的。在64位虚拟机下，Mark Word是64bit。不同锁的状态下，其结构如下：

  • 无锁：(25bit)Unused + (31bit)HashCode + (1bit)cms_free + (4bit)分代年龄 + (1bit)0 + (2bit) 锁标志位01

  • 偏向锁：(54bit)ThreadID + (2bit)Epoch + (1bit)cms_free + (4bit)分代年龄 + (1bit)1 + (2bit) 锁标志位01

  • 轻量级锁：(62bit) ptr_to_lock_record + (2bit) 锁标志位00

  • 重量级锁：(62bit) ptr_to_heavyweight_monitor + (2bit) 锁标志位10

还有一种GC情况下，其结构为：(62bit) Unused + (2bit) GC标记11

ObjectMonitor

这里我们先讨论重量级锁的情况，也就是sychronized常说的对象锁，此时Mark Word中的前62bit是一个指向重量级锁对象的指针，sychronized在JVM中是通过monitorenter和monitorexit指令来实现的，在底层则是通过争夺重量级锁对象的方式来实现方法同步和代码块同步。锁对象被定义为ObjectMonitor，其结构如下：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 获取锁的次数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL; // 当前持有锁的线程
    _WaitSet      = NULL; // 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表（ 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象 ）

当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1。

若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。

若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。

monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因。

synchronized代码块底层原理

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指令时，当前线程将试图获取对象锁的持有权，当_count为0时，那线程可以成功取得对象锁，并将计数器值设置为1，取锁成功。如果当前线程已经拥有某一对象锁，那它可以重入这个锁，重入时计数器的值也会加1。倘若其他线程已经拥有对象锁的所有权，则当前线程阻塞，直到正在执行的线程执行monitorexit指令完毕，执行线程将释放锁并设置计数器值为0，其他线程将有机会持有锁。

synchronized方法底层原理

方法级的同步是隐式，即无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构中的ACC_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。

当方法调用时，调用指令将会检查方法的ACC_SYNCHRONIZED访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有monitor（虚拟机规范中用的是管程一词）， 然后再执行方法，最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。

锁升级过程

早起的Java版本中，synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因。

Java 6之后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁。锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级。

偏向锁

偏向锁是JDK6中的重要引进，因为HotSpot作者经过研究实践发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低，引进了偏向锁。

偏向锁是在单线程执行代码块时使用的机制，如果在多线程并发的环境下（即线程A尚未执行完同步代码块，线程B发起了申请锁的申请），则一定会转化为轻量级锁或者重量级锁。

在JDK5中偏向锁默认是关闭的，而到了JDK6中偏向锁已经默认开启。如果并发数较大同时同步代码块执行时间较长，则被多个线程同时访问的概率就很大，就可以使用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁(但这是个JVM参数，不能针对某个对象锁来单独设置)。

引入偏向锁主要目的是：为了在没有多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径。因为轻量级锁的加锁解锁操作是需要依赖多次CAS原子指令的，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令（由于一旦出现多线程竞争的情况就必须撤销偏向锁，所以偏向锁的撤销操作的性能损耗也必须小于节省下来的CAS原子指令的性能消耗）。

轻量级锁是为了在线程交替执行同步块时提高性能，而偏向锁则是在只有一个线程执行同步块时进一步提高性能。

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来争夺锁资源，只需要检查是否为偏向锁、锁标识为以及ThreadID即可。

偏向锁的释放采用了 一种只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动去释放偏向锁，需要等待其他线程来竞争。

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轻量级锁

引入轻量级锁的主要目的是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。其适用场景为线程交替执行同步块的情况。当关闭偏向锁功能或者多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁，则会尝试获取轻量级锁。其步骤如下：

  1. 在线程进入同步块时，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word；

  2. 拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录（Lock Record）中；

  3. 拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象Mark Word中的Lock Word更新为指向当前线程Lock Record的指针，并将Lock record里的owner指针指向object mark word。如果更新成功，则执行步骤（4），否则执行步骤（5）；

  4. 如果这个更新动作成功了，那么当前线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态；

  5. 如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象Mark Word中的Lock Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，进入自旋执行（3），若自旋结束时仍未获得锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，当前线程以及后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。

对于轻量级锁，其性能提升的依据是 “对于绝大部分的锁，在整个生命周期内都是不会存在竞争的”，如果打破这个依据则除了互斥的开销外，还有额外的CAS操作，因此在有多线程竞争的情况下，轻量级锁比重量级锁更慢。

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自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间。

锁的比较

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ReetrantLock区别

  • sychronized是在JVM层面提供的支持，而Lock接口的系列实现则是在jdk层面和操作系统层面。

  • sychronized的实现涉及到锁的升级，而ReetrantLock的实现则是通过AQS结构，CAS保证原子性，volatile保证可见性

  • synchronized 不需要用户去手动释放锁，synchronized 代码执行完后系统会自动让线程释放对锁的占用； ReentrantLock则需要用户去手动释放锁，如果没有手动释放锁，就可能导致死锁现象。一般通过lock()和unlock()方法配合try/finally语句块来完成，使释放更加灵活。

  • synchronized是不可中断类型的锁，除非加锁的代码中出现异常或正常执行完成； ReentrantLock则可以中断，可通过trylock(long timeout,TimeUnit unit)设置超时方法或者将lockInterruptibly()放到代码块中，调用interrupt方法进行中断。

  • synchronized为非公平锁 ReentrantLock则即可以选公平锁也可以选非公平锁，通过构造方法new ReentrantLock时传入boolean值进行选择，为空默认false非公平锁，true为公平锁。

  • synchronized不能绑定； ReentrantLock通过绑定Condition结合await()/singal()方法实现线程的精确唤醒，而不是像synchronized通过Object类的wait()/notify()/notifyAll()方法要么随机唤醒一个线程要么唤醒全部线程。

  • synchronzied锁的是对象，锁是保存在对象头里面的，根据对象头数据来标识是否有线程获得锁/争抢锁；ReentrantLock锁的是线程，根据进入的线程和int类型的state标识锁的获得/争抢。

其他

可重入性

从互斥锁的设计上来说，当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，这种情况属于重入锁，请求将会成功，在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性。

线程中断

当一个线程处于被阻塞状态或者试图执行一个阻塞操作时，使用Thread.interrupt()方式中断该线程，注意此时将会抛出一个InterruptedException的异常，同时中断状态将会被复位(由中断状态改为非中断状态)。

但是，当线程处于运行期且是非阻塞状态，直接调用interrupt()方法中断线程，是不会得到任何响应的。

线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用，也就是对于synchronized来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种，要么它获得这把锁继续执行，要么它就保存等待，即使调用中断线程的方法，也不会生效。

等待唤醒机制

每个对象都有notify/notifyAll和wait这三个顶级方法，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。

以上就是sychronized关键字的作用是什么，小编相信有部分知识点可能是我们日常工作会见到或用到的。希望你能通过这篇文章学到更多知识。更多详情敬请关注创新互联行业资讯频道。


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