【多线程】synchronized使用以及原理详解

1. synchronized关键字的使用

synchronized关键字是对Java中的对象加锁，主要有3种使用形式

  1. 修饰实例（普通）方法 ，锁的是当前的实例对象；
  2. 修饰静态方法，锁的是当前类的Class对象，即使是不同的示例，他们共用的也是一把锁；
  3. 修饰代码块，所的是sybchronized括号里面的对象，这个对象可以是指定的普通实例对象，也可以是Class对象。

1.1. 修饰实例方法

修饰实例（普通）方法 ，锁的是当前的实例对象.

public class SyncExample {// synchronized 修饰实例方法，锁的是当前对象 thispublic synchronized void instanceMethod() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock on instance method");try {Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock on instance method");}public static void main(String[] args) {SyncExample example1 = new SyncExample();SyncExample example2 = new SyncExample();// 线程测试实例方法锁new Thread(example1::instanceMethod, "Thread-1").start();new Thread(example2::instanceMethod, "Thread-2").start(); // 不同对象，互不影响// 执行结果：
//         Thread-1 acquired lock on instance method
//         Thread-2 acquired lock on instance method
// 			Thread-1 released lock on instance method
// 			Thread-2 released lock on instance method}
}

执行结果：

Thread-1 acquired lock on instance method

Thread-2 acquired lock on instance method

Thread-1 released lock on instance method

Thread-2 released lock on instance method

再看一个例子：

public class SyncExample {// synchronized 修饰实例方法，锁的是当前对象 public synchronized void instanceMethod() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock on instance method");try {Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock on instance method");}public static void main(String[] args) {SyncExample example1 = new SyncExample();// 线程测试实例方法锁new Thread(example1::instanceMethod, "Thread-1").start();new Thread(example1::instanceMethod, "Thread-2").start(); // 同一个对象，阻塞// 执行结果：
// Thread-1 acquired lock on instance method
// Thread-1 released lock on instance method
// Thread-2 acquired lock on instance method
// Thread-2 released lock on instance method}
}

// 执行结果：

// Thread-1 acquired lock on instance method

// Thread-1 released lock on instance method

// Thread-2 acquired lock on instance method

// Thread-2 released lock on instance method

1.2. 修饰静态方法

由于staticMethod是static的，并且被synchronized修饰，所以它锁定的是SyncExample类的Class对象，这意味着所有SyncExample类的实例共享同一个锁。

public class SyncExample {// synchronized 修饰实例方法，锁的是Class对象 public static synchronized void staticMethod() {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock on instance method");try {Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock on instance method");}public static void main(String[] args) {SyncExample example1 = new SyncExample();SyncExample example2 = new SyncExample();// 线程测试实例方法锁// 线程1测试实例方法锁Thread thread1 = new Thread(() -> {staticMethod();});// 线程2测试实例方法锁Thread thread2 = new Thread(() -> {staticMethod();});thread1.start();thread2.start();}
}

执行结果

1.3. 修饰代码块

在这个代码中，我们创建了两个线程thread1和thread2，它们分别调用example1和example2的blockMethod方法。由于每个SyncExample实例都有自己的blockLock对象，所以这两个线程可以同时执行各自的blockMethod方法，不会互相阻塞。这展示了同步代码块可以根据需要锁定不同的对象，从而实现更细粒度的控制。

public class SyncExample {private final Object blockLock = new Object();// synchronized 修饰代码块，锁的是指定的对象public void blockMethod() {synchronized (blockLock) { // 锁住 blockLock 对象System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock on block");try {Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock on block");}}public static void main(String[] args) {SyncExample example1 = new SyncExample();SyncExample example2 = new SyncExample();// 线程1测试同步代码块锁Thread thread1 = new Thread(() -> {example1.blockMethod();});// 线程2测试同步代码块锁Thread thread2 = new Thread(() -> {example2.blockMethod();});thread1.start();thread2.start();}
}

如果是下面的代码呢？

public class SyncExample {private final Object blockLock = new Object();// synchronized 修饰代码块，锁的是指定的对象public void blockMethod() {synchronized (blockLock) { // 锁住 blockLock 对象System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquired lock on block");try {Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " released lock on block");}}public static void main(String[] args) {SyncExample example1 = new SyncExample();// 线程1测试同步代码块锁Thread thread1 = new Thread(() -> {example1.blockMethod();});// 线程2测试同步代码块锁Thread thread2 = new Thread(() -> {example1.blockMethod();});thread1.start();thread2.start();}
}

2. synchronized的锁原理

2.1. 同步代码块

synchronized 代码块是由一对 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现单元。

public void foo(Object lock) {synchronized (lock) {lock.hashCode();}}// 上面的 Java 代码将编译为下面的字节码public void foo(java.lang.Object);Code:0: aload_11: dup2: astore_23: // 上面的 Java 代码将编译为下面的字节码4: aload_15: invokevirtual java/lang/Object.hashCode:()I8: pop9: aload_210: monitorexit11: goto          1914: astore_315: aload_216: monitorexit17: aload_318: athrow19: returnException table:from    to  target type4    11    14   any14    17    14   any

synchronized 在修饰同步代码块时，是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的。进入 monitorenter 指令后，线程将持有 Monitor 对象，退出 monitorenter 指令后，线程将释放该 Monitor 对象。

2.2. 同步方法

synchronized 修饰同步方法时，会设置一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志。当方法调用时，调用指令将会检查该方法是否被设置 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志。如果设置了该标志，执行线程将先持有 Monitor 对象，然后再执行方法。在该方法运行期间，其它线程将无法获取到该 Mointor 对象，当方法执行完成后，再释放该 Monitor 对象。 究其根源使用的还是monitorenter 和 monitorexit。

public static synchronized void target(){}

上面的 Java 代码将编译为下面的字节码

3. synchronized可重入原理

synchronized 可重入的原理是基于 Java 中的每个对象都有一个锁（或者说是监视器锁，Monitor），以及每个线程都有一个锁计数器。

  1. 锁对象：当一个线程执行到一个 synchronized 同步代码块或者同步方法时，它需要先获取到该代码块或方法对应的对象锁。如果该锁已经被其他线程占用，则当前线程会阻塞，直到该锁被释放。
  2. 线程的锁计数器：每个线程都有一个锁计数器，用于记录该线程持有的锁的数量。当线程首次进入一个 synchronized 同步代码块时，它会尝试获取锁，如果成功，锁计数器会递增。
  3. 可重入性：如果同一个线程再次尝试获取同一个对象的锁（即再次进入 synchronized 同步代码块或者调用 synchronized 同步方法），因为该线程已经持有该对象的锁，所以它可以再次成功获取锁，并且锁计数器再次递增。这就是 synchronized 的可重入性。
  4. 释放锁：当线程执行完 synchronized 同步代码块或方法后，它会释放锁，锁计数器会递减。只有当锁计数器减到0时，锁才会被真正释放，其他线程才有机会获取该锁。
  5. 避免死锁：synchronized 的可重入性避免了死锁的发生。如果一个 synchronized 方法在其执行过程中调用了另一个 synchronized 方法，并且这两个方法都需要同一个对象的锁，那么可重入性确保了同一个线程可以再次获取到锁，从而避免了死锁。
  6. 锁的释放：当线程执行完所有的 synchronized 同步代码块或方法后，锁计数器会减到0，此时锁会被释放，其他线程可以获取该锁。

4. synchronized锁升级

4.1. Java对象头

在 JDK1.6 JVM 中，对象实例在堆内存中被分为了三个部分：对象头、实例数据和对齐填充。其中 Java 对象头由 Mark Word、指向类的指针以及数组长度三部分组成。 Mark Word 记录了对象和锁有关的信息。Mark Word 在 64 位 JVM 中的长度是 64bit，我们可以一起看下 64 位 JVM 的存储结构是怎么样的。如下图所示：

  • 锁状态：2位，用于标识锁的状态。
  • 是否偏向锁：1位，表示对象是否启用偏向锁。
  • 分代年龄：4位，用于记录对象的分代年龄，用于垃圾收集。
  • 线程ID：偏向锁时记录持有偏向锁的线程ID。
  • Epoch：偏向锁时记录一个时间戳，用于记录偏向锁的有效期。
  • hashCode：无锁时存储对象的哈希码。
  • 其他：根据锁状态的不同，Mark Word 中还可能包含其他信息，如轻量级锁时指向栈中锁记录的指针，重量级锁时指向互斥量（重量级锁）的指针等

锁升级功能主要依赖于 Mark Word 中的锁标志位和是否偏向锁标志位，synchronized 同步锁就是从偏向锁开始的，随着竞争越来越激烈，偏向锁升级到轻量级锁，最终升级到重量级锁。 Java 1.6 引入了偏向锁和轻量级锁，从而让 synchronized 拥有了四个状态：

  • 无锁状态（unlocked）
  • 偏向锁状态（biasble）
  • 轻量级锁状态（lightweight locked）
  • 重量级锁状态（inflated）

4.2. 锁升级过程

锁升级是 JVM 为了提高锁的性能而采取的一种优化策略，主要经历了以下几个阶段：

  1. 偏向锁：当一个线程尝试获取锁时，如果该锁是偏向锁，并且当前线程是第一次获取该锁，JVM 会在 Mark Word 中记录该线程的ID，并标记为偏向锁状态。这样，当该线程再次获取锁时，就无需进行任何同步操作，直接获取锁
  2. 轻量级锁：如果另一个线程尝试获取同一个偏向锁，JVM 会先撤销偏向锁，然后将锁升级为轻量级锁。轻量级锁使用 CAS 操作尝试获取锁，如果成功，则在栈中创建一个锁记录，用于存储 Mark Word 的备份，并且将对象本来的MarkWord种存储的信息换位指向自己的LR（LOCK RECORD）指针。
  3. 重量级锁：如果轻量级锁竞争失败，即多个线程同时通过 CAS 尝试获取锁，JVM 会将轻量级锁升级为重量级锁。此时，Mark Word 会指向一个 Monitor 对象，线程获取锁失败后会被放入 Monitor 的 EntryList 集合中等待。

5. synchronized的锁优化

除了锁升级优化，Java 还使用了编译器对锁进行优化。 以下是一些主要的编译器锁优化技术：

  1. 锁消除（Lock Elision）：

锁消除是 JVM 提供的一种高级优化技术，它允许编译器在确定锁对象不会引起线程安全问题时，减少不必要的加锁操作，从而提升程序性能。这种优化对开发者是透明的，由 JVM 自动进行。例如，如果一个方法内部创建了一个局部变量，并且该变量仅在当前方法栈帧中存在，不会被其他线程并发访问，JVM 就可以进行锁消除的优化

  1. 自适应锁（Adaptive Locking）：

自适应锁优化是指 JVM 根据过去锁获取的行为自适应地选择是使用自旋锁还是挂起线程。如果一个锁通常被持有的时间很短，JVM 可能会选择自旋；如果一个锁通常被持有的时间很长，JVM 则可能会选择挂起线程。这种优化可以在运行时根据锁的使用模式动态调整，以实现更好的性能

  1. 锁粗化（Lock Coarsening）：

如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，频繁的加锁操作就会导致性能损耗。

锁粗化是将多个相邻的同步块合并成一个较大的同步块的过程，这些同步块使用相同的锁对象。如果编译器不能通过锁消除来减少锁的开销，它可能会通过锁粗化来减少开销。这种方法可以减少锁的获取和释放次数，从而减少指令数量和内存总线上的同步流量，但可能会增加锁的持有时间，从而增加其他线程被阻塞的时间

参考：

1. Java并发核心机制 | JAVACORE

2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/82857579

3. Java对象结构详解【MarkWord 与锁的实现原理】 - Java程序员进阶 - 博客园

4. https://zhuanlan.zhihu.com/p/290991898

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