Synchronized用法原理和锁优化升级过程(面试)

2020 年 12 月 21 日
笔记
Java多线程, synchronized, 偏向锁, 同步, 并发编程, 异步, 轻量级锁

简介

多线程一直是面试中的重点和难点，无论你现在处于啥级别段位，对synchronized关键字的学习避免不了，这是我的心得体会。下面咱们以面试的思维来对synchronized做一个系统的描述，如果有面试官问你，说说你对synchronized的理解？你可以从synchronized使用层面，synchronized的JVM层面，synchronized的优化层面3个方面做系统回答，说不定面试官会对你刮目相看哦！文章会有大量的代码是方便理解的，如果你有时间一定要动手敲下加深理解和记忆。如果这篇文章能对您能有所帮助是我创作路上最大欣慰。

synchronized使用层面

大家都知道synchronized是一把锁，锁究竟是什么呢？举个例子，你可以把锁理解为厕所门上那把锁的唯一钥匙，每个人要进去只能拿着这把钥匙可以去开这个厕所的门，这把钥匙在一时刻只能有一个人拥有，有钥匙的人可以反复出入厕所，在程序中我们叫做这种重复出入厕所行为叫锁的可重入。它可以修饰静态方法，实例方法和代码块，那下面我们一起来看看synchronized用于同步代码锁表达的意思。

对于普通同步方法，锁的是对象实例。
对于静态同步方法，锁的是类的Class对象。
对于同步代码块，锁的是括号中的对象。

先说下同步和异步的概念。

同步：交替执行。
异步：同时执行。

举个例子比如吃饭和看电视两件事情，先吃完饭后再去看电视，在时间维度上这两件事是有先后顺序的，叫同步。可以一边吃饭，一边看刷剧，在时间维度上是不分先后同时进行的，饭吃完了电视也看了，就可以去学习了，这就是异步，异步的好处是可以提高效率，这样你就可以节省时间去学习了。

下面我们看看代码，代码中有做了很详细的注释，可以复制到本地进行测试。如果有synchronized基础的童鞋，可以跳过锁使用层面的讲解。

 1 /**
 2  * @author ：jiaolian
 3  * @date ：Created in 2020-12-17 14:48
 4  * @description：测试静态方法同步和普通方法同步是不同的锁,包括synchronized修饰的静态代码块用法;
 5  * @modified By：
 6  * 公众号:叫练
 7  */
 8 public class SyncTest {
 9 
10     public static void main(String[] args) {
11         Service service = new Service();
12         /**
13          * 启动下面4个线程，分别测试m1-m4方法。
14          */
15         Thread threadA = new Thread(() -> Service.m1());
16         Thread threadB = new Thread(() -> Service.m2());
17         Thread threadC = new Thread(() -> service.m3());
18         Thread threadD = new Thread(() -> service.m4());
19         threadA.start();
20         threadB.start();
21         threadC.start();
22         threadD.start();
23 
24     }
25 
26     /**
27      * 此案例说明了synchronized修饰的静态方法和普通方法获取的不是同一把锁，因为他们是异步的，相当于是同步执行;
28      */
29     private static class Service {
30         /**
31          * m1方法synchronized修饰静态方法，锁表示锁定的是Service.class
32          */
33         public synchronized static void m1() {
34             System.out.println("m1 getlock");
35             try {
36                 Thread.sleep(2000);
37             } catch (InterruptedException e) {
38                 e.printStackTrace();
39             }
40             System.out.println("m1 releaselock");
41         }
42 
43         /**
44          * m2方法synchronized修饰静态方法，锁表示锁定的是Service.class
45          * 当线程AB同时启动，m1和m2方法是同步的。可以证明m1和m2是同一把锁。
46          */
47         public synchronized static void m2() {
48             System.out.println("m2 getlock");
49             System.out.println("m2 releaselock");
50         }
51 
52         /**
53          * m3方法synchronized修饰的普通方法，锁表示锁定的是Service service = new Service();中的service对象；
54          */
55         public synchronized void m3() {
56             System.out.println("m3 getlock");
57             try {
58                 Thread.sleep(1000);
59             } catch (InterruptedException e) {
60                 e.printStackTrace();
61             }
62             System.out.println("m3 releaselock");
63         }
64 
65         /**
66          * 1.m4方法synchronized修饰的同步代码块，锁表示锁定的是当前对象实例,也就是Service service = new Service();中的service对象；和m3一样，是同一把锁；
67          * 2.当线程CD同时启动，m3和m4方法是同步的。可以证明m3和m4是同一把锁。
68          * 3.synchronized也可以修饰其他对象，比如synchronized (Service.class),此时m4,m1,m2方法是同步的，启动线程ABD可以证明。
69          */
70         public void m4() {
71             synchronized (this) {
72                 System.out.println("m4 getlock");
73                 System.out.println("m4 releaselock");
74             }
75         }
76 
77     }
78 }

经过上面的测试，你可以能会有疑问，锁既然是存在的，那它存储在什么地方？答案：对象里面。下面我们用代码来证明下。

锁在对象头里面，一个对象包括对象头，实例数据和对齐填充。对象头包括MarkWord和对象指针，对象指针是指向方法区的对象类型的，，实例对象就是属性数据，一个对象可能有很多属性，属性是动态的。对齐填充是为了补齐字节数的，如果对象大小不是8字节的整数倍，需要补齐剩余的字节数，这是方便计算机来计算的。在64位机器里面，一个对象的对象头一般占12个自己大小，在64位操作系统一般占4个字节，所以MarkWord就是8个字节了。

MarkWord包括对象hashcode，偏向锁标志位，线程id和锁的标识。为了方便测试对象头的内容，需要引入maven openjdk的依赖包。

<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol-core</artifactId>
  <version>0.10</version>
</dependency>

/**
 * @author ：duyang
 * @date ：Created in 2020-05-14 20:21
 * @description：对象占用内存
 * @modified By：
 *
 *  Fruit对象头是12字节（markword+class）
 *  int 占4个字节
 *
 *  32位机器可能占8个字节;
 *
 *  Object对象头12 对齐填充4 一共是16
 */
public class ObjectMemory {
    public static void main(String[] args) {
        //System.out.print(ClassLayout.parseClass(Fruit.class).toPrintable());
        System.out.print(ClassLayout.parseInstance(Fruit.class).toPrintable());
    }
}

/**
 *Fruit 测试类
 */
public class Fruit {

    //占一个字节大小
    private boolean flag;

}

测试结果：下面画红线的3行分别表示对象头，实例数据和对齐填充。对象头是12个字节，实例数据Fruit对象的一个boolean字段flag占1个字节大小，其余3个字节是对齐填充的部分，一共是16个字节大小。

咦？你说的锁呢，怎么没有看到呢？小伙，别着急，待会我们讲到synchronized升级优化层面的时候再来详细分析一波。下面我们先分析下synchronized在JVM层面的意思。

最后上图文总结：

synchronized JVM层面

 1 /**
 2  * @author ：jiaolian
 3  * @date ：Created in 2020-12-20 13:43
 4  * @description：锁的jvm层面使用
 5  * @modified By：
 6  * 公众号:叫练
 7  */
 8 public class SyncJvmTest {
 9     public static void main(String[] args) {
10         synchronized (SyncJvmTest.class) {
11             System.out.println("jvm同步测试");
12         }
13     }
14 }

上面的案例中，我们同步代码块中我们简单输出一句话，我们主要看看jvm中它是怎么实现的。我们用Javap -v SyncJvmTest.class反编译出上面的代码，如下图所示。

上图第一行有一个monitorenter和第六行一个monitorexit，中间的jvm指令（2-5行）对应的Java代码中的main方法的代码，synchronized就是依赖于这两个指令实现。我们来看看JVM规范中monitorenter语义。

每个对象都有一把锁，当一个线程进入同步代码块，都会去获取这个对象所持有monitor对象锁（C++实现），如果当前线程获取锁，会把monitor对象进入数自增1次。
如果该线程重复进入，会把monitor对象进入数再次自增1次。
当有其他线程进入，会把其他线程放入等待队列排队，直到获取锁的线程将monitor对象的进入数设置为0释放锁，其他线程才有机会获取锁。

synchronized的优化层面

synchronized是一个重量级锁，主要是因为线程竞争锁会引起操作系统用户态和内核态切换，浪费资源效率不高，在jdk1.5之前，synchronized没有做任何优化，但在jdk1.6做了性能优化，它会经历偏向锁，轻量级锁，最后才到重量级锁这个过程，在性能方面有了很大的提升，在jdk1.7的ConcurrentHashMap是基于ReentrantLock的实现了锁，但在jdk1.8之后又替换成了synchronized，就从这一点可以看出JVM团队对synchronized的性能还是挺有信心的。下面我们分别来介绍下无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。下面我们我画张图来描述这几个级别锁的在对象头存储状态。如图所示。

无锁。如果不加synchronized关键字，表示无锁，很好理解。
偏向锁。

升级过程：当线程进入同步块时，Markword会存储偏向线程的id并且cas将Markword锁状态标识为01，是否偏向用1表示当前处于偏向锁（对着上图来看），如果是偏向线程下次进入同步代码只要比较Markword的线程id是否和当前线程id相等，如果相等不用做任何操作就可以进入同步代码执行，如果不比较后不相等说明有其他线程竞争锁，synchronized会升级成轻量级锁。这个过程中在操作系统层面不用做内核态和用户态的切换，减少切换线程带来的资源消耗。
膨胀过程：当有另外线程进入，偏向锁会升级成轻量级锁。比如线程A是偏向锁，这是B线程进入，就会成轻量级锁，只要有两个线程就会升级成轻量级锁。

下面我们代码来看下偏向锁的锁状态。

 1 package com.duyang.base.basic.markword;
 2 
 3 import lombok.SneakyThrows;
 4 import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
 5 
 6 /**
 7  * @author ：jiaolian
 8  * @date ：Created in 2020-12-19 11:25
 9  * @description：markword测试
10  * @modified By：
11  * 公众号:叫练
12  */
13 public class MarkWordTest {
14 
15     private static Fruit fruit = new Fruit();
16 
17     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
18         Task task = new Task();
19         Thread threadA = new Thread(task);
20         Thread threadB = new Thread(task);
21         Thread threadC = new Thread(task);
22         threadA.start();
23         //threadA.join();
24         //threadB.start();
25         //threadC.start();
26     }
27 
28     private static class Task extends Thread {
29 
30         @SneakyThrows
31         @Override
32         public void run() {
33             synchronized (fruit) {
34                 System.out.println("==================="+Thread.currentThread().getId()+" ");
35                 try {
36                     Thread.sleep(3000);
37                 } catch (InterruptedException e) {
38                     e.printStackTrace();
39                 }
40                 System.out.print(ClassLayout.parseInstance(fruit).toPrintable());
41             }
42         }
43     }
44 }

上面代码启动线程A，控制台输出如下图所示，红色标记3个bit是101分别表示，高位的1表示是偏向锁，01是偏向锁标识位。符合偏向锁标识的情况。

轻量级锁。

升级过程：在线程运行获取锁后，会在栈帧中创造锁记录并将MarkWord复制到锁记录，然后将MarkWord指向锁记录，如果当前线程持有锁，其他线程再进入，此时其他线程会cas自旋，直到获取锁，轻量级锁适合多线程交替执行，效率高（cas只消耗cpu，我在cas原理一篇文章中详细讲过。）。
膨胀过程：有两种情况会膨胀成重量级锁。1种情况是cas自旋10次还没获取锁。第2种情况其他线程正在cas获取锁，第三个线程竞争获取锁，锁也会膨胀变成重量级锁。

下面我们代码来测试下轻量级锁的锁状态。

打开23行-24行代码，执行线程A，B，我的目的是顺序执行线程A B ，所以我在代码中先执行threadA.join()，让A线程先执行完毕，再执行B线程，如下图所示MarkWord锁状态变化，线程A开始是偏向锁用101表示，执行线程B就变成轻量级锁了，锁状态变成了00，符合轻量级锁锁状态。证明完毕。

重量级锁。重量级锁升级后是不可逆的，也就是说重量锁不可以再变为轻量级锁。

打开25行代码，执行线程A，B，C，我的目的是先执行线程A，在代码中先执行threadA.join()，让A线程先执行完毕，然后再同时执行线程BC ，如下图所示看看MarkWord锁状态变化，线程A开始是偏向锁，到同时执行线程BC，因为有激烈竞争，属于轻量级锁膨胀条件第2种情况，当其他线程正在cas获取锁，第三个线程竞争获取锁，锁也会膨胀变成重量级锁。此时BC线程锁状态都变成了10，这种情况符合重量级锁锁状态。膨胀重量级锁证明完毕。

到此为止，我们已经把synchronized锁升级过程中的锁状态通过代码的形式都证明了一遍，希望对你有帮助。下图是自己总结。

总结

多线程synchronized一直是个很重要的话题，也是面试中常见的考点。希望大家都能尽快理解掌握，分享给你们希望你们喜欢！

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Tags: Java多线程 synchronized 偏向锁同步并发编程异步轻量级锁