Java并發(fā)中Synchronized的作用是什么-創(chuàng)新互聯(lián)

本篇文章給大家分享的是有關(guān)Java并發(fā)中Synchronized的作用是什么，小編覺(jué)得挺實(shí)用的，因此分享給大家學(xué)習(xí)，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲，話不多說(shuō)，跟著小編一起來(lái)看看吧。

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1 引言

在多線程并發(fā)編程中Synchronized一直是元老級(jí)角色，很多人都會(huì)稱呼它為重量級(jí)鎖，但是隨著Java SE1.6對(duì)Synchronized進(jìn)行了各種優(yōu)化之后，有些情況下它并不那么重了，本文詳細(xì)介紹了Java SE1.6中為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來(lái)的性能消耗而引入的偏向鎖和輕量級(jí)鎖，以及鎖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和升級(jí)過(guò)程。

2 術(shù)語(yǔ)定義

術(shù)語(yǔ)	英文	說(shuō)明
CAS	Compare and Swap	比較并設(shè)置。用于在硬件層面上提供原子性操作。在 Intel 處理器中，比較并交換通過(guò)指令cmpxchg實(shí)現(xiàn)。比較是否和給定的數(shù)值一致，如果一致則修改，不一致則不修改

3同步的基礎(chǔ)

Java中的每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖。

對(duì)于同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象。

對(duì)于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前對(duì)象的Class對(duì)象。

對(duì)于同步方法塊，鎖是Synchonized括號(hào)里配置的對(duì)象。

當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問(wèn)同步代碼塊時(shí)，它首先必須得到鎖，退出或拋出異常時(shí)必須釋放鎖。那么鎖存在哪里呢？鎖里面會(huì)存儲(chǔ)什么信息呢？

4同步的原理

JVM規(guī)范規(guī)定JVM基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)方法同步和代碼塊同步，但兩者的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不一樣。代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)，而方法同步是使用另外一種方式實(shí)現(xiàn)的，細(xì)節(jié)在JVM規(guī)范里并沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明，但是方法的同步同樣可以使用這兩個(gè)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。monitorenter指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開(kāi)始位置，而monitorexit是插入到方法結(jié)束處和異常處，JVM要保證每個(gè)monitorenter必須有對(duì)應(yīng)的monitorexit與之配對(duì)。任何對(duì)象都有一個(gè)monitor與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個(gè)monitor被持有后，它將處于鎖定狀態(tài)。線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)，將會(huì)嘗試獲取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的monitor的所有權(quán)，即嘗試獲得對(duì)象的鎖。

4.1Java對(duì)象頭

鎖存在Java對(duì)象頭里。如果對(duì)象是數(shù)組類型，則虛擬機(jī)用3個(gè)Word（字寬）存儲(chǔ)對(duì)象頭，如果對(duì)象是非數(shù)組類型，則用2字寬存儲(chǔ)對(duì)象頭。在32位虛擬機(jī)中，一字寬等于四字節(jié)，即32bit。

長(zhǎng)度	內(nèi)容	說(shuō)明
32/64bit	Mark Word	存儲(chǔ)對(duì)象的hashCode或鎖信息等。
32/64bit	Class Metadata Address	存儲(chǔ)到對(duì)象類型數(shù)據(jù)的指針
32/64bit	Array length	數(shù)組的長(zhǎng)度（如果當(dāng)前對(duì)象是數(shù)組）

Java對(duì)象頭里的Mark Word里默認(rèn)存儲(chǔ)對(duì)象的HashCode，分代年齡和鎖標(biāo)記位。32位JVM的Mark Word的默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

25 bit	4bit	1bit是否是偏向鎖	2bit鎖標(biāo)志位
無(wú)鎖狀態(tài)	對(duì)象的hashCode	對(duì)象分代年齡	0

在運(yùn)行期間Mark Word里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化。Mark Word可能變化為存儲(chǔ)以下4種數(shù)據(jù)：

鎖狀態(tài)	25 bit			4bit	1bit	2bit
	23bit		2bit		是否是偏向鎖	鎖標(biāo)志位
輕量級(jí)鎖	指向棧中鎖記錄的指針					00
重量級(jí)鎖	指向互斥量（重量級(jí)鎖）的指針					10
GC標(biāo)記	空					11
偏向鎖	線程ID	Epoch		對(duì)象分代年齡	1	01

在64位虛擬機(jī)下，Mark Word是64bit大小的，其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

鎖狀態(tài)	25bit	31bit	1bit	4bit	1bit		2bit
			cms_free	分代年齡	偏向鎖		鎖標(biāo)志位
無(wú)鎖	unused	hashCode			0	01
偏向鎖	ThreadID(54bit) Epoch(2bit)				1	01

4.2鎖的升級(jí)

JavaSE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來(lái)的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”，所以在JavaSE1.6里鎖一共有四種狀態(tài)，無(wú)鎖狀態(tài)，偏向鎖狀態(tài)，輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，它會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)。鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率，下文會(huì)詳細(xì)分析。

4.3偏向鎖

Hotspot的作者經(jīng)過(guò)以往的研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況下鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要花費(fèi)CAS操作來(lái)加鎖和解鎖，而只需簡(jiǎn)單的測(cè)試一下對(duì)象頭的MarkWord里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖，如果測(cè)試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖，如果測(cè)試失敗，則需要再測(cè)試下MarkWord中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1（表示當(dāng)前是偏向鎖），如果沒(méi)有設(shè)置，則使用CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖，如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對(duì)象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程。

偏向鎖的撤銷：偏向鎖使用了一種等到競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，所以當(dāng)其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有字節(jié)碼正在執(zhí)行），它會(huì)首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活著，如果線程不處于活動(dòng)狀態(tài)，則將對(duì)象頭設(shè)置成無(wú)鎖狀態(tài)，如果線程仍然活著，擁有偏向鎖的棧會(huì)被執(zhí)行，遍歷偏向?qū)ο蟮逆i記錄，棧中的鎖記錄和對(duì)象頭的MarkWord要么重新偏向于其他線程，要么恢復(fù)到無(wú)鎖或者標(biāo)記對(duì)象不適合作為偏向鎖，最后喚醒暫停的線程。下圖中的線程1演示了偏向鎖初始化的流程，線程2演示了偏向鎖撤銷的流程。

關(guān)閉偏向鎖：偏向鎖在Java 6和Java 7里是默認(rèn)啟用的，但是它在應(yīng)用程序啟動(dòng)幾秒鐘之后才激活，如有必要可以使用JVM參數(shù)來(lái)關(guān)閉延遲-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。如果你確定自己應(yīng)用程序里所有的鎖通常情況下處于競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，可以通過(guò)JVM參數(shù)關(guān)閉偏向鎖-XX:-UseBiasedLocking=false，那么默認(rèn)會(huì)進(jìn)入輕量級(jí)鎖狀態(tài)。

4.4 輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖加鎖：線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會(huì)先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間，并將對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對(duì)象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來(lái)獲取鎖。

輕量級(jí)鎖解鎖：輕量級(jí)解鎖時(shí)，會(huì)使用原子的CAS操作來(lái)將Displaced Mark Word替換回到對(duì)象頭，如果成功，則表示沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生。如果失敗，表示當(dāng)前鎖存在競(jìng)爭(zhēng)，鎖就會(huì)膨脹成重量級(jí)鎖。下圖是兩個(gè)線程同時(shí)爭(zhēng)奪鎖，導(dǎo)致鎖膨脹的流程圖。

因?yàn)樽孕龝?huì)消耗CPU，為了避免無(wú)用的自旋（比如獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖升級(jí)成重量級(jí)鎖，就不會(huì)再恢復(fù)到輕量級(jí)鎖狀態(tài)。當(dāng)鎖處于這個(gè)狀態(tài)下，其他線程試圖獲取鎖時(shí)，都會(huì)被阻塞住，當(dāng)持有鎖的線程釋放鎖之后會(huì)喚醒這些線程，被喚醒的線程就會(huì)進(jìn)行新一輪的奪鎖之爭(zhēng)。

5 鎖的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

鎖	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)	適用場(chǎng)景
偏向鎖	加鎖和解鎖不需要額外的消耗，和執(zhí)行非同步方法比僅存在納秒級(jí)的差距。	如果線程間存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，會(huì)帶來(lái)額外的鎖撤銷的消耗。	適用于只有一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊場(chǎng)景。
輕量級(jí)鎖	競(jìng)爭(zhēng)的線程不會(huì)阻塞，提高了程序的響應(yīng)速度。	如果始終得不到鎖競(jìng)爭(zhēng)的線程使用自旋會(huì)消耗CPU。	追求響應(yīng)時(shí)間。 同步塊執(zhí)行速度非?？?。
重量級(jí)鎖	線程競(jìng)爭(zhēng)不使用自旋，不會(huì)消耗CPU。	線程阻塞，響應(yīng)時(shí)間緩慢。	追求吞吐量。 同步塊執(zhí)行速度較長(zhǎng)。

以上就是Java并發(fā)中Synchronized的作用是什么，小編相信有部分知識(shí)點(diǎn)可能是我們?nèi)粘９ぷ鲿?huì)見(jiàn)到或用到的。希望你能通過(guò)這篇文章學(xué)到更多知識(shí)。更多詳情敬請(qǐng)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

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