一次性搞懂系列：synchronized

技术
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简介

Java 中内置关键字，实现线程同步，支持可重入的独占锁。

特性

  • 原子性：确保线程互斥访问同步代码。
  • 可见性：保证共享变量修改及时可见。lock操作会清空工作空间变量值；执行unlock前，变量同步主内存。
  • 有序性：synchronized内代码和外部代码禁止指令重排，内部代码不会禁止重排。
  • 独占锁：一次只能被一个线程持有，其他线程阻塞。
  • 非公平锁：线程直接尝试获取锁，不判断是有有阻塞线程。
  • 可重入锁
三种使用方式
  • 代码块
Object obj = new Object();
public void test(){
    synchronized (obj){
        // ....
    }
}
  • 方法
public synchronized void test(){
}
  • 静态方法
public synchronized static void test(){
}

这三种有什么区别，到底锁的是什么？

对象

这不跟没说一样……

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本质上就是锁的是对象，代码块是obj对象，方法其实就是实例对象，就是this，这两种只有是同一个实例才会存在锁竞争；静态方法就是类对象，只要有一个线程获取到锁，其他线程就无法访问。

实现原理

方法和对象加锁编译后字节码

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底层原理是基于JVM的指令和对象的监视器（monitor）来实现的。

线程访问被synchronized修改时方法或代码块，先获取所属对象监视器，获取成功，执行代码块，监视器计数+1，如果失败，就会阻塞，直到监视器被释放。

synchronized修饰方法时，ACC_SYNCHRONIZED标识方法是同步的；

synchronized修饰代码块时，monitorenter和monitorexit两个指令用来进入和退出监视器；

具体实现

在HotSpot虚拟机中，Java 对象在内存布局中大体分：对象头、实例数据和对其填充；

而普通对象头由Mark Word、Klass point;Mark Word占8字节，对象头布局如下：

OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)

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后三位表示锁 第一位：无锁：0，偏向锁：1 后两位：无锁：01，偏向锁：01，轻量级锁：00，重量级锁：10，gc标记：11

  • 无锁（偏向锁：0，锁标志位：01）

  • 偏向锁（偏向锁：1，锁标志位：01，线程ID）

    1. 偏向锁标志位是否是1，锁标志位是否为01，确认偏向状态
    2. 如果为可偏向状态，是否为当前线程，如果是，进入同步操作，否则进入一步
    3. CAS获取偏向锁失败，标识资源被占。当到达安全点时，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点继续执行同步代码
    4. CAS获取偏向锁失败，标识资源被占。当到达安全点时，偏向锁升级为轻量级锁，然后被阻塞在安全点继续执行同步代码

  • 轻量级锁（锁标志位：00）

    1. 代码进入同步块，如果对象锁为偏向状态通过CAS抢占，锁标志位为00
    2. 抢到，进入同步
    3. 未抢到，循环执行，循环一定阶段，升级重量级锁

  • 重量级锁（锁标志位：10）

    1. 分配ObjectMonitor对象，锁标志位设为10，mark word存储指向ObjectMonitor
    2. ObjectMonitor有两个队列，用来保存ObjectWaiter对象列表，多个线程访问同一段代码，首先进入EntryList
    3. 通过CAS尝试将Monitor owner修改为当前线程，count+1，发现owner是当前线程recursions+1，CAS失败，进入EntryList中
    4. 当获取锁线程调用wait方法，owner设置null,count-1，recursions-1，当前线程加入waitSet，等待被唤醒
    5. 线程执行完代码块时，释放锁，count-1，recursions-1，recursions为0，说明线程释放锁
做了哪些优化

  • 锁膨胀

    锁膨胀：无锁 到 偏向锁 ，再到轻量级锁，最后变成重量级锁。也叫锁升级（不可降级）

    JDK1.6之前，synchronized是重量级锁，释放、获取锁都会从用户态到内核态转换，效率低，引入锁膨胀，偏向锁、轻量级锁在并发操作不用用户态、内核态转换，提交性能。

  • 锁粗化

    将多个连续的加锁、解锁连接在一起变成范围更大的锁。

  • 锁消除

    某些情况下，虚拟机检测不到某段代码存在竞争的可能，将代码同步消除掉，从而提交程序性能。

  • 自旋锁

    通过自身循环，尝试获取锁；优点：避免一些线程挂起、恢复操作，如果循环次数太多，浪费一定资源，需要设置阈值。

面试知识点

  • 什么是synchronized

  • 什么是可重入锁，synchronized如何实现的

    当线程持有锁，当前线程可以多次进入被锁定的代码块或方法而不会被阻塞;

    占有锁后对象头中会有线程ID，可重入锁，每次进入+1,退出-1，直至状态为0，释放锁

  • 什么是锁升级

    同锁膨胀

  • synchronized是非公平还是公平的

    非公平

  • synchronized如何保证线程安全的

    • 原子性
    • 有序性
    • 可见性

  • 如何提升synchronized性能

    本质上减少锁竞争

    尽量保证锁处于轻量级锁或偏向锁

    减小锁粒度

    减小锁持有时间

  • synchronized和ReentrantLock区别

    相同

    都是可重入锁，可实现线程同步

    区别

    1. synchronized是关键字，依赖jvm；ReentrantLock是通过AQS编程实现
    2. ReentrantLock更加灵活，功能丰富，等待可中断、可实现公平锁
这是一个从 https://juejin.cn/post/7369248993106280500 下的原始话题分离的讨论话题