JAVA：深入了解Java中的Synchronized关键字

news2024/9/20 1:10:39

1、简述

在Java中，多线程编程是一项常见的任务，然而，它也伴随着一系列潜在的问题，比如竞态条件（Race Condition）和数据不一致性。为了解决这些问题，Java提供了一种同步机制，即synchronized关键字。本文将深入探讨Java中synchronized技术，介绍它的基本概念、用法和一些最佳实践。

2、关键特性

synchronized关键字可以保证并发编程的三大特性：原子性、可见性、有序性，而volatile关键字只能保证可见性和有序性，不能保证原子性，也称为是轻量级的synchronized。

原子性：一个或多个操作全部执行成功或者全部执行失败。synchronized关键字可以保证只有一个线程拿到锁，访问共享资源。
可见性：当一个线程对共享变量进行修改后，其他线程可以立刻看到。　执行synchronized时，会对应执行lock、unlock原子操作，保证可见性。
有序性：程序的执行顺序会按照代码的先后顺序执行。

synchronized关键字可以实现什么类型的锁？

悲观锁：synchronized关键字实现的是悲观锁，每次访问共享资源时都会上锁。
非公平锁：synchronized关键字实现的是非公平锁，即线程获取锁的顺序并不一定是按照线程阻塞的顺序。
可重入锁：synchronized关键字实现的是可重入锁，即已经获取锁的线程可以再次获取锁。
独占锁或者排他锁：synchronized关键字实现的是独占锁，即该锁只能被一个线程所持有，其他线程均被阻塞。

3、基本使用

3.1 synchronized关键字的基本概念

synchronized是Java中用于实现同步的关键字，它可以用来修饰方法或代码块。当一个线程进入一个由synchronized修饰的方法或代码块时，它将自动获得锁，其他线程必须等待直到该线程释放锁。这确保了在同一时刻只有一个线程可以执行被synchronized修饰的代码。

public synchronized void synchronizedMethod() {
    // 同步的代码块
}

3.2 对象级别的锁和类级别的锁

在synchronized中，锁可以是对象级别的，也可以是类级别的。对象级别的锁是基于对象实例的，而类级别的锁是基于类的Class对象的。

// 对象级别的锁
public synchronized void objectLevelLock() {
    // 同步的代码块
}

// 类级别的锁
public static synchronized void classLevelLock() {
    // 同步的代码块
}

3.3 同步代码块

除了修饰方法，synchronized还可以用于同步代码块。这使得我们可以更加精细地控制同步的范围，提高程序的性能。

public void someMethod() {
    // 非同步的代码

    synchronized (lockObject) {
        // 需要同步的代码块
    }

    // 非同步的代码
}

4、实现原理

Synchronized的底层实现原理是完全依赖JVM虚拟机的,所以谈synchronized的底层实现，就不得不谈数据在JVM内存的存储：Java对象头，以及Monitor对象监视器。
在这里插入图片描述
以下我们来看一下Monitor的实现原理：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;  //锁的计数器，获取锁时count数值加1，释放锁时count值减1
    _waiters      = 0,  //等待线程数
    _recursions   = 0;  // 线程重入次数
    _object       = NULL;  // 存储Monitor对象
    _owner        = NULL;  // 持有当前线程的owner
    _WaitSet      = NULL;  // wait状态的线程列表
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;  // 阻塞在EntryList上的单向线程列表
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // 处于等待锁状态block状态的线程列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;
  }

4.1 运行流程

通过以下代码添加同步锁来解析当前线程运行流程：

public  void synch1(){
    synchronized(this){
        try {
            synchronized (this){
                TimeUnit.MINUTES.sleep(2);
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is runing");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

通过JAR 自带的jconsole.exe 我们可以很清楚的看到当前运行的6个线程状况：
在这里插入图片描述
也可以通过Java自带的Jstack + PID 来查看线程运行情况：

jstack 21836

在这里插入图片描述

4.2 如何加锁

首先我们来看看对方法同步的运行情况，可以通过反编译class类来查看当前Java代码运行的情况：

public synchronized static void synch0(){
    try {

        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is runing");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

通过Javap指令来解析当前class类：

javap -v SynchronizedDemo

找到反编译指定的代码块，我们可以很清楚的看到同步的方法，是通过flags的ACC_SYNCHRONIZED来实现加锁和解锁的：
在这里插入图片描述

接下来我们对代码块实现加Synchronized操作：

public  void synch1(){
    synchronized(this){
        try {
            synchronized (this){
                TimeUnit.MINUTES.sleep(2);
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is runing");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

同理反编译，我们可以很清楚的看到同步代码块是通过Monitorenter和Monitorexit来实现同步加锁的：
在这里插入图片描述
小结：Java虚拟机是通过进入和退出Monitor对象来实现代码块同步和方法同步的，代码块同步使用的是monitorenter和 monitorexit 指令实现的，而方法同步是通过Access flags后面的标识来确定该方法是否为同步方法