面試官最想要的synchronized，你值得擁有

synchronized簡(jiǎn)介

synchronized 是Java語(yǔ)言的一個(gè)關(guān)鍵字，它本身的意思為同步，是用來(lái)保證線程安全的，可用來(lái)給對(duì)象和方法或者代碼塊加鎖，當(dāng)它鎖定一個(gè)方法或者一個(gè)代碼塊的時(shí)候，同一時(shí)刻最多只有一個(gè)線程執(zhí)行這段代碼。

synchronized一句話來(lái)解釋其作用就是：能夠保證同一時(shí)刻最多只有一個(gè)線程執(zhí)行該段代碼，以達(dá)到并發(fā)安全的效果。synchronized就猶如一把鎖，當(dāng)一個(gè)線程獲取到該鎖，別的線程只能等待其執(zhí)行完才能執(zhí)行。

synchronized可以說(shuō)是Java中元老級(jí)的關(guān)鍵字了，也是面試的高頻的問(wèn)點(diǎn)，在jdk1.6之前它是一把重量級(jí)鎖，性能不被大家看好，在次之后對(duì)它做了很多優(yōu)化，性能也大大提升。

那么synchronized的實(shí)現(xiàn)的底層原理是什么，jdk1.6之后又對(duì)它做了哪些優(yōu)化呢？接下來(lái)我們一步一步的分析。

synchronized的特性

synchronized能夠保證在多線程的情況下線程安全，直接可以它的特性進(jìn)行總結(jié)原因，synchronized有以下四個(gè)特性：

1. 原子性：保證被 synchronized修飾的一個(gè)或者多個(gè)操作，在執(zhí)行的過(guò)程中不會(huì)被任何的因素打斷，即所謂的 原子操作，直到鎖被釋放。
2. 可見性：保證持有鎖的當(dāng)前線程在釋放鎖之前，對(duì)共享變量的修改會(huì)刷新到主存中，并對(duì)其它線程可見。
3. 有序性：保證多線程時(shí)刻中只有一個(gè)線程執(zhí)行，線程執(zhí)行的順序都是有序的。
4. 可重入性：保證在多線程中，有其他的線程試圖競(jìng)爭(zhēng)持有鎖的臨界資源時(shí)，其它的線程會(huì)處于等待狀態(tài)，而當(dāng)前持有鎖的線程可以重復(fù)的申請(qǐng)自己持有鎖的臨界資源。

上面的也是粗略的進(jìn)行概括，接下來(lái)就一步一步的進(jìn)行深入的分析synchronized的這四個(gè)特性的底層原理。

原子性

上面介紹了原子性就是一個(gè)或者多個(gè)操作，在執(zhí)行的過(guò)程中不會(huì)被任何的因素打斷，這里的任何因素打斷具體一點(diǎn)主要是指cpu的線程調(diào)度。

在Java語(yǔ)言中對(duì)基本數(shù)據(jù)類型讀取和賦值才是原子操作，這些操作在執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被中斷。而像a++或者a+=1類似的操作，都并非是原子性操作。

因?yàn)檫@些操作底層執(zhí)行的流程分為這三步：讀取值、計(jì)算值、賦值。才算完成上面的操作，在多線程的時(shí)候就會(huì)存在線程安全的問(wèn)題，產(chǎn)生臟數(shù)據(jù)，導(dǎo)致最后的結(jié)果并非預(yù)期的結(jié)果。

在面試的過(guò)程中也會(huì)有很多面試官常常拿volatile和synchronized做比較，在原子性方面區(qū)別就是volatile沒有辦法保證原子性，而synchronized可以實(shí)現(xiàn)原子性。

這里簡(jiǎn)單的只對(duì)volatile做一個(gè)簡(jiǎn)介，volatile的具體作用主要有兩個(gè)：保證可見性、禁止指令重排，這里畫了一個(gè)圖給大家，可以參考：

具體的volatile為什么沒辦法保證原子操作，我之前寫過(guò)一篇關(guān)于volatile詳細(xì)的文章，可以參考這一篇文章[]。

那么synchronized的底層又是怎么實(shí)現(xiàn)原子性的呢？這里又要從synchronized的字節(jié)碼說(shuō)起，在idea中寫了一段簡(jiǎn)單的代碼如下所示：

public class TestSynchronized implements Runnable {

    @Override
    public void run() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("同步代碼塊");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TestSynchronized sync = new TestSynchronized();
        Thread t = new Thread(sync);
        t.start();
    }
}

代碼很簡(jiǎn)單，通過(guò)字節(jié)碼進(jìn)行分析，執(zhí)行的字節(jié)碼如下圖所示，在字節(jié)碼中可以看出在執(zhí)行代碼塊中的代碼之前有一個(gè)monitorenter，后面的是離開monitorexit。

不難猜測(cè)執(zhí)行同步代碼塊中的代碼時(shí)，首先要獲取對(duì)象鎖，對(duì)應(yīng)使用monitorenter指令 ，在執(zhí)行完代碼塊之后，就要釋放鎖，所對(duì)應(yīng)的指令就是monitorexit。

在這里又會(huì)有一個(gè)面試考點(diǎn)就是：什么會(huì)出現(xiàn)兩次的monitorexit呢？ 這是因?yàn)橐粋€(gè)線程對(duì)一個(gè)對(duì)象上鎖了，后續(xù)就一定要解鎖，第二個(gè)monitorexit是為了保證在線程異常時(shí)，也能正常解鎖，避免造成死鎖。

可見性

synchronized實(shí)現(xiàn)可見性就是在解鎖之前，必須將工作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)同步到主內(nèi)存，其它線程操作該變量時(shí)每次都可以看到被修改后的值。

說(shuō)到工作內(nèi)存和主內(nèi)存這個(gè)要從JMM說(shuō)起，主存是放共享變量的地方，而工作內(nèi)存是線程私有的，存放的是主存的變量的副本，線程不會(huì)對(duì)主存的變量直接操作。這里畫了一張圖給大家理解：

具體講解JMM的文章我之前寫過(guò)一篇詳細(xì)的文章，這里只做上面的概述，詳細(xì)了解JMM的可以看這一篇[]。

有序性

synchronized在實(shí)現(xiàn)有序性時(shí)，多線程并發(fā)訪問(wèn)只有一個(gè)線程執(zhí)行，從而保證線程執(zhí)行的順序都是有序的。

synchronized為了實(shí)現(xiàn)有序性，通過(guò)阻塞其它線程的方式，來(lái)達(dá)到線程的有序執(zhí)行，接下來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的代碼：

public class TestSynchronized implements Runnable {
    Object o= new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TestSynchronized sync = new TestSynchronized ();
        Thread t1 = new Thread(sync);
        Thread t2 = new Thread(sync);
        t1.start();
        t2.start();
    }
    @Override
    public void run() {
        synchronized (o) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "線程開始執(zhí)行");
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "線程等待5秒后執(zhí)行完畢");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

這個(gè)毋庸置疑，當(dāng)你加了synchronized代碼塊的時(shí)候，這兩個(gè)線程執(zhí)行必須是有序的，同一個(gè)線程前后的輸出一定會(huì)在一起，執(zhí)行的結(jié)果如圖所示：

假如注釋掉synchronized的代碼塊，兩個(gè)線程的執(zhí)行就不再是有序的執(zhí)行，就會(huì)出現(xiàn)如圖所示的情況：

可重入性

synchronized的可重入性就是當(dāng)一個(gè)線程已經(jīng)持有鎖對(duì)象的臨界資源，當(dāng)該線程再次請(qǐng)求對(duì)象的臨界資源，可以請(qǐng)求成功，這種情況屬于重入鎖。

實(shí)現(xiàn)的底層原理就是synchronized底層維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)線程獲取該鎖時(shí)，計(jì)數(shù)器+1，再次獲取鎖時(shí)繼續(xù)+1，釋放鎖時(shí)，計(jì)數(shù)器-1，當(dāng)計(jì)數(shù)器值為0時(shí)，表明該鎖未被任何線程所持有，其它線程可以競(jìng)爭(zhēng)獲取鎖。

synchronized基本用法

前面詳細(xì)的介紹了synchronized的基本特性，接下來(lái)詳細(xì)的介紹synchronized的基本用法，我們基本都知道大部分是時(shí)候只會(huì)用到同步方法上，但是它的用法有下面三種：

1. 同步普通方法：在方法上添加synchronized關(guān)鍵字。
2. 同步靜態(tài)方法：在方法上添加synchronized關(guān)鍵字，并且方法被static修飾。
3. 同步代碼塊：執(zhí)行的代碼操作被synchronized修飾。

• 鎖定this實(shí)例或者實(shí)例對(duì)象
• 鎖定類字節(jié)碼

在同步方法中這個(gè)相信大家都是知道，代碼如下圖所示：

private synchronized void syncMethod() {
       // 邏輯代碼
}

這里有一個(gè)問(wèn)題就是對(duì)于synchronized的鎖無(wú)非就是兩種，對(duì)于同步方法中的鎖對(duì)象又是什么呢？ ，這里畫了一張圖給大家，如下如圖所示：

在同步普通方法中鎖對(duì)象就是this，也就是當(dāng)前對(duì)象，哪個(gè)對(duì)象調(diào)用的同步方法，鎖對(duì)象就是就是它。

當(dāng)然同步普通方法只能作用在單例上，若不是單例，同步方法就會(huì)失效，原因很簡(jiǎn)單，多例中鎖對(duì)象不一樣，沒辦法生效。

在同步靜態(tài)方法中的鎖對(duì)象是當(dāng)前類的class對(duì)象，這個(gè)相信大家都能想到。

在同步代碼塊中，可以有很多的玩法，因?yàn)殒i對(duì)象是任意的，由程序員自己操作指定，主要這幾種方式獲得鎖對(duì)象：this 、Object、this.getClass()、className.getClass()。

具體用哪種就要看你的具體的業(yè)務(wù)場(chǎng)景了，這里只是做了總結(jié)和歸納。

synchronized的優(yōu)化

在JVM的書籍中介紹到，synchronized在jdk6之前一直使用的是重量級(jí)鎖，在jdk6之后便對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，新增了偏向鎖、輕量級(jí)鎖（自旋鎖），并通過(guò)鎖消除、鎖粗化、自旋鎖、自適應(yīng)自旋等方法使用于各種場(chǎng)景，大大提升了synchronized的性能。

下面就來(lái)詳細(xì)的介紹synchronized被優(yōu)化的過(guò)程以及原理，對(duì)synchronized優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)的具體的原理圖如下所示：

在synchronized優(yōu)化的最重要的就是鎖升級(jí)的優(yōu)化過(guò)程，也是大廠面試的必問(wèn)的鎖知識(shí)點(diǎn)，接下來(lái)我們就詳細(xì)的了解這個(gè)過(guò)程。

鎖升級(jí)

在講解鎖升級(jí)的過(guò)程，先了解對(duì)象的在內(nèi)存中的布局情況，為什么呢？因?yàn)殒i的信息是存儲(chǔ)在對(duì)象的markword中，只有了解了對(duì)象的布局，對(duì)深入的了解鎖升級(jí)會(huì)更有幫助。

在我們創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象后，大部分時(shí)候，對(duì)象都是分配在堆中，因?yàn)檫€有可能對(duì)象在棧上分配，所以這里用大部分情況。

對(duì)于一個(gè)對(duì)象創(chuàng)建完之后，在內(nèi)存中的布局情況，我之前也寫過(guò)一篇文章，詳細(xì)可以參考這一篇[]，這里做一個(gè)大概的回顧，一個(gè)對(duì)象在內(nèi)存中的布局圖如下所示。

對(duì)象在內(nèi)存布局中主要分為以下三個(gè)部分：對(duì)象頭(markword、class pointer)、示例數(shù)據(jù)(instance data)、對(duì)齊(可有可無(wú))。

其中對(duì)象頭中，若是對(duì)象為數(shù)組則還包含數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，其中markword中主要包含信息有：GC年齡信息、鎖對(duì)象信息、hashCode信息。

class pointer是類型指針，指向當(dāng)前對(duì)象class文件，實(shí)例數(shù)據(jù)若是一個(gè)對(duì)象有屬性private int n=1，這是n=1即使存儲(chǔ)在示例數(shù)據(jù)中。

最后的填充可有可無(wú)，這個(gè)取決于對(duì)象的大小，所示對(duì)象大小能被8字節(jié)整除，則該部分沒有，不能被整除，就會(huì)填充對(duì)象大小到能夠被8字節(jié)整除。

在對(duì)象的內(nèi)存布局中，最值得我們關(guān)注的就是markword，因?yàn)?code style="font-size: 14px;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;color: rgb(30, 107, 184);background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;">markword是存儲(chǔ)鎖信息的，接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，就是要觀察markword包含的位里面的大小的變化。

要在實(shí)際中觀察到對(duì)象的內(nèi)存布局情況，可以借助JOL依賴庫(kù)，全程是JAVA Objct Layout，即是Java對(duì)象布局，只需要在你的maven工程里面引入如下maven坐標(biāo)：

<dependency>
	<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
	<artifactId>jol-core</artifactId>
	<version>0.9</version>
</dependency>

然后創(chuàng)建一個(gè)SpringBoot項(xiàng)目，加入上面Maven依賴，接著創(chuàng)建Java類JaveObjectLayout，代碼如下：

public class JaveObjectLayout {
	
	public static void main(String[] args) {
		Object o = new Object();
        String s = ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable();
        System.out.println(s);
	}

}

執(zhí)行代碼后輸出的結(jié)果如下圖所示：

有人問(wèn)這是啥？不慌，且聽我慢慢道來(lái)，這個(gè)就是Java在內(nèi)存中的布局?jǐn)?shù)據(jù)，前八個(gè)字節(jié)表示的是markword，其中OFFSET表示起始位，SIZE表示偏移位。

比如第一行0 4，表示第0個(gè)字節(jié)開始算4個(gè)字節(jié)，然后第二行4 4表示第4個(gè)字節(jié)開始算4個(gè)字節(jié)，這樣就一共8個(gè)字節(jié)，表示完整的markword信息。

其中后面的VAlUE數(shù)據(jù)表示的是對(duì)應(yīng)的這4個(gè)字節(jié)上的具體位的數(shù)據(jù)，1字節(jié)=8位，這個(gè)也剛好對(duì)應(yīng)。

在能看懂這個(gè)之前必須要了解各種鎖對(duì)應(yīng)的位數(shù)上的是0還是1，才能夠知道上面輸出的表示是什么信息，看一張各種鎖表示的信息圖：

其中無(wú)鎖狀態(tài)位001，偏向鎖為101，輕量級(jí)鎖為00，而重量級(jí)鎖為10，最后11表示GC信息。這個(gè)怎么對(duì)應(yīng)呢？我們?cè)賮?lái)看上面的那種圖：

從代碼中可以看出，是沒有加鎖的，所有對(duì)應(yīng)的最低三位為001為無(wú)鎖狀態(tài)，當(dāng)代碼改成如下圖所示：

Object o = new Object();
		synchronized (o) {
			String s = ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable();
			System.out.println(s);
		}

再次輸出，這時(shí)候便表示輕量級(jí)鎖，前四個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)明顯變大，后面字節(jié)的數(shù)據(jù)都沒有變化，說(shuō)明鎖信息是存儲(chǔ)在markword中的，所謂的加鎖，就是在對(duì)象的markword中儲(chǔ)存鎖信息（包括線程的ThreadID），并且對(duì)象的鎖狀態(tài)由0改為了1，表示該對(duì)象已經(jīng)被哪個(gè)線程所持有。

接下來(lái)我們來(lái)聊聊詳細(xì)的鎖升級(jí)的過(guò)程，當(dāng)初始化完對(duì)象后，對(duì)象處于無(wú)鎖狀態(tài)，在只有一個(gè)線程第一次使用該對(duì)象，不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，我們便會(huì)認(rèn)為該線程偏向于它。

偏向鎖的實(shí)質(zhì)就是將線程的ThreadID存儲(chǔ)于markword中，表明該線程偏向于它。

若是某一時(shí)刻又來(lái)了線程二、線程三也想競(jìng)爭(zhēng)這把鎖，此時(shí)是輕度的競(jìng)爭(zhēng)，便升級(jí)為輕量級(jí)鎖，于是這三個(gè)線程就開始競(jìng)爭(zhēng)了，他們就會(huì)去判斷鎖是否由釋放，若是沒有釋放，沒有獲得鎖的線程就會(huì)自旋，這就是自旋鎖。

在自旋的過(guò)程，也會(huì)嘗試的去獲取鎖，直到獲取鎖成功。在jdk1.6之后又出現(xiàn)了自適應(yīng)自旋，就是jdk根據(jù)運(yùn)行的情況和每個(gè)線程運(yùn)行的情況決定要不要升級(jí)。

自適應(yīng)自旋是對(duì)自旋鎖優(yōu)化方式的進(jìn)一步優(yōu)化，它的自旋的次數(shù)不再固定，其自旋的次數(shù)由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定，這就解決了自旋鎖帶來(lái)的缺點(diǎn)。

這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是看誰(shuí)能把自己的ThreadID貼在對(duì)象的markword中，而這個(gè)過(guò)程就是CAS操作，原子操作。

倘若此時(shí)又來(lái)了線程四、線程5.....線程n，都想獲取該鎖，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈了，此時(shí)就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。

所謂的重量級(jí)鎖，為什么叫做重量級(jí)呢？因?yàn)橹亓考?jí)鎖要通過(guò)操作系統(tǒng)，由用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)的過(guò)程，這個(gè)切換的過(guò)程是非常消耗資源的，并且經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)用。

那么為啥重量級(jí)鎖那么消耗資源？還要它，要它有何用？是這樣的，假如沒有重量級(jí)鎖，不管有多少個(gè)線程都是自旋，那么當(dāng)線程是大了，等待的線程永遠(yuǎn)在自旋。

自旋是要消耗cpu資源的，這樣cpu就撐不住了，反而性能會(huì)大大下降，在經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試后，肯定是有一個(gè)臨界值，當(dāng)超過(guò)這個(gè)臨界值時(shí)，反而使用重量級(jí)鎖性能更加高效。

因?yàn)?strong>重量級(jí)鎖不需要消耗cpu的資源，都把等待的線程放在了一個(gè)等待的隊(duì)列中，需要的時(shí)候在喚醒他們。

在jdk1.6之前當(dāng)線程的自選次數(shù)超過(guò)10次或者等待的自旋的線程數(shù)超過(guò)了CPU核數(shù)的二分之一，就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。

當(dāng)然也有情況就是偏向鎖一開始就重度競(jìng)爭(zhēng)，這是就直接升級(jí)為重量級(jí)鎖，這個(gè)在互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中也是很常見的。

經(jīng)過(guò)上面的詳細(xì)講解于是就出現(xiàn)了下面的鎖升級(jí)圖，在不同的條件就會(huì)升級(jí)為不同的鎖：

鎖消除、鎖粗化

鎖消除是另一種鎖的優(yōu)化措施，在編譯期間，會(huì)對(duì)上下文進(jìn)行掃描，去除掉不可能存在競(jìng)爭(zhēng)的鎖，這樣就不必執(zhí)行沒有必要的上鎖和解鎖操作消耗性能。

鎖粗化就是擴(kuò)大所得范圍，避免反復(fù)執(zhí)行加鎖和釋放鎖，避免不必要的性能消耗。

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