Synchronized用法原理和锁优化升级过程(面试)

时间  2021-01-02
标签 java 面试 性能优化 多线程 异步 jvm maven ide 性能 学习 栏目 Java 繁體版
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简介

多线程一直是面试中的重点和难点，不管你如今处于啥级别段位，对synchronized关键字的学习避免不了，这是个人心得体会。下面我们以面试的思惟来对synchronized作一个系统的描述，若是有面试官问你，说说你对synchronized的理解？你能够从synchronized使用层面，synchronized的JVM层面，synchronized的优化层面3个方面作系统回答，说不定面试官会对你另眼相看哦！文章会有大量的代码是方便理解的，若是你有时间必定要动手敲下加深理解和记忆。若是这篇文章能对您能有所帮助是我创做路上最大欣慰。java

image.png

synchronized使用层面

你们都知道synchronized是一把锁，锁到底是什么呢？举个例子，你能够把锁理解为厕所门上那把锁的惟一钥匙，每一个人要进去只能拿着这把钥匙能够去开这个厕所的门，这把钥匙在一时刻只能有一我的拥有，有钥匙的人能够反复出入厕所，在程序中咱们叫作这种重复出入厕所行为叫锁的可重入。它能够修饰静态方法，实例方法和代码块 ，那下面咱们一块儿来看看synchronized用于同步代码锁表达的意思。面试

  • 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。性能优化

  • 同步：交替执行。
  • 异步：同时执行。

举个例子好比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前后顺序的，叫同步。能够一边吃饭，一边看刷剧，在时间维度上是不分前后同时进行的，饭吃完了电视也看了，就能够去学习了，这就是异步，异步的好处是能够提升效率，这样你就能够节省时间去学习了。多线程

下面咱们看看代码，代码中有作了很详细的注释，能够复制到本地进行测试。若是有synchronized基础的童鞋，能够跳过锁使用层面的讲解。异步

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-17 14:48
 * @description：测试静态方法同步和普通方法同步是不一样的锁,包括synchronized修饰的静态代码块用法;
 * @modified By：
 * 公众号:叫练
 */
public class SyncTest {

    public static void main(String[] args) {
        Service service = new Service();
        /**
         * 启动下面4个线程，分别测试m1-m4方法。
         */
        Thread threadA = new Thread(() -> Service.m1());
        Thread threadB = new Thread(() -> Service.m2());
        Thread threadC = new Thread(() -> service.m3());
        Thread threadD = new Thread(() -> service.m4());
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();
        threadD.start();

    }

    /**
     * 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，由于他们是异步的，至关因而同步执行;
     */
    private static class Service {
        /**
         * m1方法synchronized修饰静态方法，锁表示锁定的是Service.class
         */
        public synchronized static void m1() {
            System.out.println("m1 getlock");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("m1 releaselock");
        }

        /**
         * m2方法synchronized修饰静态方法，锁表示锁定的是Service.class
         * 当线程AB同时启动，m1和m2方法是同步的。能够证实m1和m2是同一把锁。
         */
        public synchronized static void m2() {
            System.out.println("m2 getlock");
            System.out.println("m2 releaselock");
        }

        /**
         * 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；
         */
        public synchronized void m3() {
            System.out.println("m3 getlock");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("m3 releaselock");
        }

        /**
         * 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同样，是同一把锁；
         * 2.当线程CD同时启动，m3和m4方法是同步的。能够证实m3和m4是同一把锁。
         * 3.synchronized也能够修饰其余对象，好比synchronized (Service.class),此时m4,m1,m2方法是同步的，启动线程ABD能够证实。
         */
        public void m4() {
            synchronized (this) {
                System.out.println("m4 getlock");
                System.out.println("m4 releaselock");
            }
        }

    }
}

通过上面的测试，你能够能会有疑问，锁既然是存在的，那它存储在什么地方？答案：对象里面。下面咱们用代码来证实下。jvm

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，一个对象可能有不少属性，属性是动态的。对齐填充是为了补齐字节数的，若是对象大小不是8字节的整数倍，须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，一个对象的对象头通常占12个本身大小，在64位操做系统通常占4个字节，因此MarkWord就是8个字节了。maven

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，须要引入maven openjdk的依赖包。ide

<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，其他3个字节是对齐填充的部分，一共是16个字节大小。性能

image.png


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

image.png


最后上图文总结：

image.png


synchronized JVM层面


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

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

image.png

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。咱们来看看JVM规范中monitorenter语义。

  1. 每一个对象都有一把锁，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），若是当前线程获取锁，会把monitor对象进入数自增1次。
  2. 若是该线程重复进入，会把monitor对象进入数再次自增1次。
  3. 当有其余线程进入，会把其余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，其余线程才有机会获取锁。


synchronized的优化层面

synchronized是一个重量级锁，主要是由于线程竞争锁会引发操做系统用户态和内核态切换，浪费资源效率不高，在jdk1.5以前，synchronized没有作任何优化，但在jdk1.6作了性能优化，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高，在jdk1.7的ConcurrentHashMap是基于ReentrantLock的实现了锁，但在jdk1.8以后又替换成了synchronized，就从这一点能够看出JVM团队对synchronized的性能仍是挺有信心的。下面咱们分别来介绍下无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。下面咱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。

image.png

  • 无锁。若是不加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而且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），若是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，若是相等不用作任何操做就能够进入同步代码执行，若是不比较后不相等说明有其余线程竞争锁，synchronized会升级成轻量级锁。这个过程当中在操做系统层面不用作内核态和用户态的切换，减小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。好比线程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。

下面咱们代码来看下偏向锁的锁状态。

package com.duyang.base.basic.markword;

import lombok.SneakyThrows;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-19 11:25
 * @description：markword测试
 * @modified By：
 * 公众号:叫练
 */
public class MarkWordTest {

    private static Fruit fruit = new Fruit();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Task task = new Task();
        Thread threadA = new Thread(task);
        Thread threadB = new Thread(task);
        Thread threadC = new Thread(task);
        threadA.start();
        //threadA.join();
        //threadB.start();
        //threadC.start();
    }

    private static class Task extends Thread {

        @SneakyThrows
        @Override
        public void run() {
            synchronized (fruit) {
                System.out.println("==================="+Thread.currentThread().getId()+" ");
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.print(ClassLayout.parseInstance(fruit).toPrintable());
            }
        }
    }
}

上面代码启动线程A，控制台输出以下图所示，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。符合偏向锁标识的状况。

image.png

  • 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，而后将MarkWord指向锁记录，若是当前线程持有锁，其余线程再进入，此时其余线程会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：有两种状况会膨胀成重量级锁。1种状况是cas自旋10次还没获取锁。第2种状况其余线程正在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。

下面咱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，个人目的是顺序执行线程A B ，因此我在代码中先执行threadA.join()，让A线程先执行完毕，再执行B线程，以下图所示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。证实完毕。

image.png

  • 重量级锁。重量级锁升级后是不可逆的，也就是说重量锁不能够再变为轻量级锁。

打开25行代码，执行线程A，B，C，个人目的是先执行线程A，在代码中先执行threadA.join()，让A线程先执行完毕，而后再同时执行线程BC ，以下图所示看看MarkWord锁状态变化，线程A开始是偏向锁，到同时执行线程BC，由于有激烈竞争，属于轻量级锁膨胀条件第2种状况，当其余线程正在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，这种状况符合重量级锁锁状态。膨胀重量级锁证实完毕。

image.png



到此为止，咱们已经把synchronized锁升级过程当中的锁状态经过代码的形式都证实了一遍，但愿对你有帮助。下图是本身总结。

image.png


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。但愿你们都能尽快理解掌握，分享给大家但愿大家喜欢！

我是叫练，多叫多练，欢迎你们和我一块儿讨论交流，我会尽快回复你们，喜欢点赞和关注哦！公众号【叫练】。

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