Java并发——synchronized关键字

- 日理万妓 2024-03-30 06:28 87阅读 0赞

### Java并发——synchronized关键字 ###

#### 1.synchronized作用的范围 ####

`synchronized`有两种作用范围：**对象锁**和**类锁**

**对象锁**

**使用方式：** 在普通方法上加`synchronized`（默认锁对象为this）和同步代码块（自己指定锁对象）

> 在普通方法上加锁（默认锁对象为this）

public class SynchronizedLock implements Runnable{
        
    
        static  SynchronizedLock instance = new SynchronizedLock();
    
        @Override
        public void run() {
        
            method();
        }
    
        // 修饰普通方法 默认锁this
          public synchronized void method (){
        
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"开始执行");
    
                try {
        
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"结束");
            }
    
    
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            Thread t1 = new Thread(instance);
            Thread t2 = new Thread(instance);
    
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }
    
    /* 执行结果
     *
     *线程Thread-0开始执行
     *线程Thread-0结束
     *线程Thread-1开始执行
     *线程Thread-1结束
     *
     */

> 同步代码块指定锁对象this

public class SynchronizedLock implements Runnable{
        
    
        static  SynchronizedLock instance = new SynchronizedLock();
    
        @Override
        public void run() {
        
            //同步代码块——锁this，两个线程使用的锁都是instance对象的锁，线程1需要等线程0释放锁
    
            synchronized (this){
        
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"开始执行");
    
                try {
        
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"结束");
            }
        }
    
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            Thread t1 = new Thread(instance);
            Thread t2 = new Thread(instance);
    
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }
    
    /* 执行结果
     *
     *线程Thread-0开始执行
     *线程Thread-0结束
     *线程Thread-1开始执行
     *线程Thread-1结束
     *
     */

**类锁**

`synchronized`修饰静态方法或者指定锁对象为Class对象

> 修饰静态方法

public class SynchronizedLock implements Runnable{
        
      // 使用两个不同的对象 证明结果是由类锁造成的
        static  SynchronizedLock instance1 = new SynchronizedLock();
        static  SynchronizedLock instance2 = new SynchronizedLock();
        @Override
        public void run() {
        
            method();
        }
      // synchronized修饰静态方法，默认锁的就是当前class类
          public static synchronized void method (){
        
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"开始执行");
    
                try {
        
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"结束");
            }
    
    
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            Thread t1 = new Thread(instance1);
            Thread t2 = new Thread(instance2);
    
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }
    
    /* 执行结果
     *
     *线程Thread-0开始执行
     *线程Thread-0结束
     *线程Thread-1开始执行
     *线程Thread-1结束
     *
     */

**注意：** 结果虽然是和锁普通方法相同，但是锁静态方法使用的是两个不同的对象`instance1` `instance2`，造成两个线程串行执行是因为sychronized锁的是当前类，两个对象使用一把锁

> 指定锁对象为Class类

public class SynchronizedLock implements Runnable{
        
      // 使用两个不同的对象 证明结果是由类锁造成的
        static  SynchronizedLock instance1 = new SynchronizedLock();
        static  SynchronizedLock instance2 = new SynchronizedLock();
        @Override
        public void run() {
        
            // synchronized修饰指定类，锁对应的Class类
            synchronized (SynchronizedLock.class){
        
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"开始执行");
    
                try {
        
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
        
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"结束");
            }
        }
    
    
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            Thread t1 = new Thread(instance1);
            Thread t2 = new Thread(instance2);
    
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }
    
    /* 执行结果
     *
     *线程Thread-0开始执行
     *线程Thread-0结束
     *线程Thread-1开始执行
     *线程Thread-1结束
     *
     */

#### 2.synchronized原理 ####

synchronized基于JVM实现，随着JVM的升级不断优化。

在JVM虚拟机中，对像在内存中的存储分为三个部分：

*  **对象头**
 *  **实例数据**
 *  **对齐填充**

![在这里插入图片描述][549af9667b2f4da1a659e5bc798e808a.png]

**标记字段Mark Word**

用于存储对象自身的运行时数据，`HashCode`、`GC Age`、**锁标记位**、**是否为偏向锁**

**64位JVM中Mark Word组成**  
![在这里插入图片描述][48c47fd23b1b43b1ba736a50d1c5f120.png]

**加锁**

每一个对象在同一时间只与一个`Monitor`监视器相关联，而一个`Monitor`在同一时间只能被一个线程获得，一个对象在尝试获取与这个对象相关联的`Monitor`锁的所有权时，`Monitorenter`指令会发生三种情况

*  `Monitor`计数器为0，表示目前没有其他线程获取，该线程会立刻获取并把锁计数器加1，之后其他线程想要获取这个monitor就需要等待
 *  如果这个`Monitor`已经获取了这个锁的所有权，又重入了这把锁，锁计数器进行累加
 *  这把锁已经被其他线程获取了，等待锁释放

**释放锁**

释放对于`monitor`的所有权，将`monitor`的计数器减1，如果减完之后计数器不为0，代表是重入的当前线程还继续持有这把锁，如果计数器为0，表示当前线程不再拥有`monitor`的所有权，就是释放锁

![在这里插入图片描述][3fed7d34055b43ffabb2a7a9d2bb2a72.png]

**总结：**

任意一个线程对某个对象的访问，首先要获取对象的监视器，如果获取失败，线程就进入同步队列中等待，当对象的监视器被其他线程释放后，在同步队列中的线程就重新尝试获取该监视器

**可重入原理：**

当一个线程获取对象锁成功后，该对象的monitor锁计数器+1，当该线程再次获取时计数器再+1，释放时释放一次就计数器-1，直到减为0，锁被释放（计数器次数就是重入次数）

#### 3.**锁升级** ####

**无锁 --> 偏向锁 --> 轻量级锁 --> 重量级锁**

*  **无锁**

没有对资源进行锁定，所有线程都能访问修改同一个资源，但只有一个线程能修改成功

*  **偏向锁**

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得，为了让线程获取锁的代价更低而引入了**偏向锁**。当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在对象头和栈帧中记录锁偏向的线程ID。在线程访问同步代码块时先判断对象头的`Mark Word`里面是否存储指向当前线程的偏向锁，如果存在就直接获取锁。

*  **轻量级锁**

当另一个线程尝试竞争偏向锁时，锁升级为轻量级锁。线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于锁记录的空间(`Lock Record`)，并采用CAS将对象头中的`Mark Word`替换成指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获取锁，如果失败，标识其他线程竞争锁，锁升级为重量级锁。

*  **重量级锁**

在重量级锁时，线程通过自旋获取锁，在自旋的过程中占用消耗CPU资源，如果长时间自旋会影响性能。因此需要设定自旋次数，默认10次，如果10次自旋依旧没获得锁，则会被阻塞等待。当其他线程尝试获取锁时，都会被阻塞，当持有锁的线程释放锁后，才会唤醒这些线程。

#### 4.synchronized的优缺点 ####

**synchronized的优点**

*  使用简单，不需要手动去释放锁
 *  基于JVM实现，在迭代中不断优化升级

**synchronized的缺点**

*  效率低：锁的释放情况少，只有代码执行完毕或者异常结束才会释放锁，尝试获取锁时不能设置超时，也不能中断一个正在使用锁的线程
 *  不够灵活：加锁和释放锁的时机单一，没有Lock灵活

**使用synchronized的注意点**

*  锁对象不能为空，因为锁的信息都保存在对象头中
 *  作用范围不宜过大，影响程序执行的效率
 *  避免死锁

**参考文章**

《Java并发编程的艺术》

https://pdai.tech/md/java/thread/java-thread-x-key-synchronized.html

[549af9667b2f4da1a659e5bc798e808a.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/be2556163aa044d3bb1cdcc95153d4d7.png
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