本篇內(nèi)容主要講解“Synchronized的原理介紹”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“Synchronized的原理介紹”吧!

創(chuàng)新互聯(lián)建站是一家專業(yè)提供樂業(yè)企業(yè)網(wǎng)站建設(shè),專注與成都做網(wǎng)站、網(wǎng)站設(shè)計、H5開發(fā)、小程序制作等業(yè)務(wù)。10年已為樂業(yè)眾多企業(yè)、政府機構(gòu)等服務(wù)。創(chuàng)新互聯(lián)專業(yè)的建站公司優(yōu)惠進行中。

1. CAS

CAS全稱：CompareAndSwap，故名思意：比較并交換。他的主要思想就是：**我需要對一個值進行修改，我不會直接修改，而是將當前我認為的值和要修改的值傳入，如果此時內(nèi)存中的確為我認為的值，那么就進行修改，否則修改失敗。**他的思想是一種樂觀鎖的思想。

一張圖解釋他的工作流程：

知道了它的工作原理，我們來聽一個場景：現(xiàn)在有一個int類型的數(shù)字它等于1，存在三個線程需要對其進行自增操作。

一般來說，我們認為的操作步驟是這樣：線程從主內(nèi)存中讀取這個變量，到自己的工作空間中，然后執(zhí)行變量自增，然后回寫主內(nèi)存，但這樣在多線程狀態(tài)下會存在安全問題。而如果我們保證變量的安全性，常用的做法是ThreadLocal或者直接加鎖。（對ThreadLocal不了解的兄弟，看我這篇文章一文讀懂ThreadLocal設(shè)計思想）

這個時候我們思考一下，如果使用我們上面的CAS進行對值的修改，我們需要如何操作。

首先，我們需要將當前線程認為的值傳入，然后將想要修改的值傳入。如果此時內(nèi)存中的值和我們的期望值相等，進行修改，否則修改失敗。這樣是不是解決了一個多線程修改的問題，而且它沒有使用到操作系統(tǒng)提供的鎖。

上面的流程其實就是類AtomicInteger執(zhí)行自增操作的底層實現(xiàn)，它保證了一個操作的原子性。我們來看一下源碼。

public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            //從內(nèi)存中讀取最新值
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            //修改
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
 }

實現(xiàn)CAS使用到了Unsafe類，看它的名字就知道不安全，所以JDK不建議我們使用。對比我們上面多個線程執(zhí)行一個變量的修改流程，這個類的操作僅僅增加了一個自旋，它在不斷獲取內(nèi)存中的最新值，然后執(zhí)行自增操作。

可能有兄弟說了，那getIntVolatile和compareAndSwapInt操作如何保證原子性。

對于getIntVolatile來說，讀取內(nèi)存中的地址，本來就一部操作，原子性顯而易見。

對于compareAndSwapInt來說，它的原子性由CPU保證，通過一系列的CPU指令實現(xiàn)，其C++底層是依賴于Atomic::cmpxchg_ptr實現(xiàn)的

到這里CAS講完了，不過其中還有一個ABA問題，有興趣可以去了解我的這篇文章多線程知識點小節(jié)。里面有詳細的講解。

我們通過CAS可以保證了操作的原子性，那么我們需要考慮一個東西，鎖是怎么實現(xiàn)的。對比生活中的case，我們通過一組密碼或者一把鑰匙實現(xiàn)了一把鎖，同樣在計算機中也通過一個鑰匙即synchronized代碼塊使用的鎖對象。

那其他線程如何判斷當前資源已經(jīng)被占有了呢？

在計算機中的實現(xiàn)，往往是通過對一個變量的判斷來實現(xiàn)，無鎖狀態(tài)為0，有鎖狀態(tài)為1等等來判斷這個資源是否被加鎖了，當一個線程釋放鎖時僅僅需要將這個變量值更改為0，代表無鎖。

我們僅僅需要保證在進行變量修改時的原子性即可，而剛剛的CAS剛好可以解決這個問題

至于那個鎖變量存儲在哪里這個問題，就是下面的內(nèi)容了，對象的內(nèi)存布局

2. 內(nèi)存布局

各位兄弟們，應(yīng)該都清楚，我們創(chuàng)建的對象都是被存放到堆中的，最后我們獲得到的是一個對象的引用指針。那么有一個問題就會誕生了，JVM創(chuàng)建的對象的時候，開辟了一塊空間，那這個空間里都有什么東西？這個就是我們這個點的內(nèi)容。

先來結(jié)論：Java中存在兩種類型的對象，一種是普通對象，另一種是數(shù)組

對象內(nèi)存布局

我們來一個一個解釋其含義。

**白話版：**對象頭中包含又兩個字段，Mark Word主要存儲改對象的鎖信息，GC信息等等(鎖升級的實現(xiàn))。而其中的Klass Point代表的是一個類指針，它指向了方法區(qū)中類的定義和結(jié)構(gòu)信息。而Instance Data代表的就是類的成員變量。在我們剛剛學習Java基礎(chǔ)的時候，都聽過老師講過，對象的非靜態(tài)成員屬性都會被存放在堆中，這個就是對象的Instance Data。相對于對象而言，數(shù)組額外添加了一個數(shù)組長度的屬性

最后一個對其數(shù)據(jù)是什么？

我們拿一個場景來展示這個原因：**想像一下，你和女朋友周末打算出去玩，女朋友讓你給她帶上口紅，那么這個時候你僅僅會帶上口紅嘛？當然不是，而是將所有的必用品統(tǒng)統(tǒng)帶上，以防剛一出門就得回家拿東西！！！**這種行為叫啥？未雨綢繆，沒錯，暖男行為。還不懂？再來一個案例。你準備創(chuàng)業(yè)了，資金非常充足，你需要注冊一個域名，你僅僅注冊一個嘛？不,而是將所有相關(guān)的都注冊了，防止以后大價錢買域名。一個道理。

而對于CPU而言，它在進行計算處理數(shù)據(jù)的時候，不可能需要什么拿什么吧，那對其性能損耗非常嚴重。所以有一個協(xié)議，CPU在讀取數(shù)據(jù)的時候，不僅僅只拿需要的數(shù)據(jù)，而是獲取一行的數(shù)據(jù)，這就是緩存行，而一行是64個字節(jié)。

所以呢？通過這個特性可以玩一些詭異的花樣，比如下面的代碼。

public class CacheLine {
    private volatile Long l1 , l2;
}

我們給一個場景：兩個線程t1和t2分別操作l1和l2，那么當t1對l1做了修改以后，l2需不需要重新讀取主內(nèi)存種值。答案是一定，根據(jù)我們上面對于緩存行的理解，l1和l2必然位于同一個緩存行中，根據(jù)緩存一致性協(xié)議，當數(shù)據(jù)被修改以后，其他CPU需要重新重主內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。這就引發(fā)了偽共享的問題

那么為什么對象頭要求會存在一個對其數(shù)據(jù)呢？

HotSpot虛擬機要求每一個對象的內(nèi)存大小必須保證為8字節(jié)的整數(shù)倍，所以對于不是8字節(jié)的進行了對其補充。其原因也是因為緩存行的原因

對象=對象頭+實例數(shù)據(jù)

3. 無鎖

我們在前面聊了一下，計算機中的鎖的實現(xiàn)思路和對象在內(nèi)存中的布局，接下來我們來聊一下它的具體鎖實現(xiàn)，為對象加鎖使用的是對象內(nèi)存模型中的對象頭，通過對其鎖標志位和偏向鎖標志位的修改實現(xiàn)對資源的獨占即加鎖操作。接下來我們看一下它的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖。

上圖就是對象頭在內(nèi)存中的表現(xiàn)(64位)，JVM通過對對象頭中的鎖標志位和偏向鎖位的修改實現(xiàn)“無鎖”。

對于無鎖這個概念來說，在1.6之前，即所有的對象，被創(chuàng)建了以后都處于無鎖狀態(tài)，而在1.6之后，偏向鎖被開啟，對象在經(jīng)歷過幾秒的時候(4~5s)以后，自動升級為當前線程的偏向鎖。(無論經(jīng)沒經(jīng)過synchronized)。

我們來驗證一下，通過jol-core工具打印其內(nèi)存布局。注：該工具打印出來的數(shù)據(jù)信息是反的，即最后幾位在前面，通過下面的案例可以看到

場景：創(chuàng)建兩個對象，一個在剛開始的時候就創(chuàng)建，另一個在5秒之后創(chuàng)建，進行對比其內(nèi)存布局

Object object = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());//此時處于無鎖態(tài)
try {TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
Object o = new Object();
System.out.println("偏向鎖開啟");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());//五秒以后偏向鎖開啟

我們可以看到，線程已開啟創(chuàng)建的對象處于無鎖態(tài)，而在5秒以后創(chuàng)建的線程處于偏向鎖狀態(tài)。

同樣，當我們遇到synchronized塊的時候，也會自動升級為偏向鎖，而不是和操作系統(tǒng)申請鎖。

說完這個，提一嘴一個面試題吧。解釋一下什么是無鎖。

從對象內(nèi)存結(jié)構(gòu)的角度來說，是一個鎖標志位的體現(xiàn)；從其語義來說，無鎖這個比較抽象了，因為在以前鎖的概念往往是與操作系統(tǒng)的鎖息息相關(guān)，所以新出現(xiàn)的基于CAS的偏向鎖，輕量級鎖等等也被成為無鎖。而在synchronized升級的起點----無鎖。這個東西就比較難以解釋，只能說它沒加鎖。不過面試的過程中從對象內(nèi)存模型中理解可能會更加舒服一點。

4. 偏向鎖

在實際開發(fā)中，往往資源的競爭比較少，于是出現(xiàn)了偏向鎖，故名思意，當前資源偏向于該線程，認為將來的一切操作均來自于改線程。下面我們從對象的內(nèi)存布局下看看偏向鎖

對象頭描述：偏向鎖標志位通過CAS修改為1，并且存儲該線程的線程指針

當發(fā)生了鎖競爭，其實也不算鎖競爭，就是當這個資源被多個線程使用的時候，偏向鎖就會升級。

在升級的期間有一個點-----全局安全點，只有處在這個點的時候，才會撤銷偏向鎖。

全局安全點-----類似于CMS的stop the world，保證這個時候沒有任何線程在操作這個資源，這個時間點就叫做全局安全點。

可以通過XX:BiasedLockingStartupDelay=0 關(guān)閉偏向鎖的延遲，使其立即生效。

通過XX:-UseBiasedLocking=false 關(guān)閉偏向鎖。

5.輕量級鎖

在聊輕量級鎖的時候，我們需要搞明白這幾個問題。什么是輕量級鎖，什么重量級鎖？，為什么就重量了，為什么就輕量了？

輕量級和重量級的標準是依靠于操作系統(tǒng)作為標準判斷的，在進行操作的時候你有沒有調(diào)用過操作系統(tǒng)的鎖資源，如果有就是重量級，如果沒有就是輕量級

接下來我們看一下輕量級鎖的實現(xiàn)。

• 線程獲取鎖，判斷當前線程是否處于無鎖或者偏向鎖的狀態(tài)，如果是，通過CAS復制當前對象的對象頭到Lock Recoder放置到當前棧幀中(對于JVM內(nèi)存模型不清楚的兄弟，看這里入門JVM看這一篇就夠了

• 通過CAS將當前對象的對象頭設(shè)置為棧幀中的Lock Recoder,并且將鎖標志位設(shè)置為00

• 如果修改失敗，則判斷當前棧幀中的線程是否為自己，如果是自己直接獲取鎖，如果不是升級為重量級鎖，后面的線程阻塞

我們在上面提到了一個Lock Recoder，這個東東是用來保存當前對象的對象頭中的數(shù)據(jù)的，并且此時在該對象的對象頭中保存的數(shù)據(jù)成為了當前Lock Recoder的指針

我們看一個代碼模擬案例，

public class QingLock {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //睡覺5秒，開啟偏向鎖，可以使用JVM參數(shù)
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
        A o = new A();
        //讓線程交替執(zhí)行
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
        new Thread(()->{
            o.test();
            countDownLatch.countDown();
        },"1").start();

        new Thread(()->{
            try {
                countDownLatch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            o.test();
        },"2").start();


    }
}

class A{
    private Object object = new Object();
    public void test(){
        System.out.println("為進入同步代碼塊*****");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        System.out.println("進入同步代碼塊******");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            synchronized (object){
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
            }
        }
    }
}

運行結(jié)果為兩個線程交替前后

輕量級鎖強調(diào)的是線程交替使用資源，無論線程的個數(shù)有幾個，只要沒有同時使用就不會升級為重量級鎖

在上面的關(guān)于輕量級鎖加鎖步驟的講解中，如果線程CAS修改失敗，則判斷棧幀中的owner是不是自己，如果不是就失敗升級為重量級鎖，而在實際中，JDK加入了一種機制自旋鎖，即修改失敗以后不會立即升級而是進行自旋，在JDK1.6之前自旋次數(shù)為10次，而在1.6又做了優(yōu)化，改為了自適應(yīng)自旋鎖，由虛擬機判斷是否需要進行自旋，判斷原因有：當前線程之前是否獲取到過鎖，如果沒有，則認為獲取鎖的幾率不大，直接升級，如果有則進行自旋獲取鎖。

6. 重量級鎖

前面我們談到了無鎖-->偏向鎖-->輕量級鎖，現(xiàn)在最后我們來聊一下重量級鎖。

這個鎖在我們開發(fā)過程中很常見，線程搶占資源大部分都是同時的，所以synchronized會直接升級為重量級鎖。我們來代碼模擬看一下它的對象頭的狀況。

代碼模擬

public class WeightLock {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
             new Thread(()->{
                a.test();
             },"線程"+ i).start();
        }
    }
}

未進入代碼塊之前,兩者均為無鎖狀態(tài)

開始執(zhí)行循環(huán)，進入代碼塊

在看一眼，對象頭鎖標志位

對比上圖，可以發(fā)現(xiàn)，在線程競爭的時候鎖，已經(jīng)變?yōu)榱酥亓考夋i。接下來我們來看一下重量級鎖的實現(xiàn)

6.1 Java匯編碼分析

我們先從Java字節(jié)碼分析synchronzied的底層實現(xiàn)，它的主要實現(xiàn)邏輯是依賴于一個monitor對象，當前線程執(zhí)行遇到monitorenter以后，給當前對象的一個屬性recursions加一（下面會詳細講解），當遇到monitorexit以后該屬性減一，代表釋放鎖。

代碼

Object o = new Object();
synchronized (o){

}

匯編碼

上圖就是上面的四行代碼的匯編碼，我們可以看到synchronized的底層是兩個匯編指令

• monitoreneter代表synchronized塊開始

• monitorexit代表synchronized塊結(jié)束

有兄弟要說了為什么會有兩個monitorexit?這也是我曾經(jīng)遇到的一個面試題

第一個monitorexit代表了synchronized塊正常退出

第二個monitorexit代表了synchronized塊異常退出

很好理解，當在synchronized塊中出現(xiàn)了異常以后，不能當前線程一直拿著鎖不讓其他線程使用吧。所以出現(xiàn)了兩個monitorexit

同步代碼塊理解了，我們再來看一下同步方法。

代碼

public static void main(String[] args) {

}

public synchronized void test01(){

}

匯編碼

我們可以看到，同步方法增加了一個ACC_SYNCHRONIZED標志，它會在同步方法執(zhí)行之前調(diào)用monitorenter，結(jié)束以后調(diào)用monitorexit指令。

6.2 C++代碼

在Java匯編碼的講解中，我們提到了兩個指令monitorenter和monitorexit，其實他們是來源于一個C++對象monitor，在Java中每創(chuàng)建一個對象的時候都會有一個monitor對象被隱式創(chuàng)建，他們和當前對象綁定，用于監(jiān)視當前對象的狀態(tài)。其實說綁定也不算正確，其實際流程為：線程本身維護了兩個MonitorList列表，分別為空閑(free)和已經(jīng)使用(used)，當線程遇到同步代碼塊或者同步方法的時候，會從空閑列表中申請一個monitor使用，如果當先線程已經(jīng)沒有空閑的了，則直接從全局(JVM)獲取一個monitor使用

我們來看一下C++對這個對象的描述

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0; // 重入次數(shù)
    _object       = NULL; //存儲該Monitor對象
    _owner        = NULL; //擁有該Monitor對象的對象
    _WaitSet      = NULL; //線程等待集合(Waiting)
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ; //多線程競爭時的單向鏈表
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //阻塞鏈表(Block)
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
    _previous_owner_tid = 0;
  }

線程加鎖模型

加鎖流程：

• 最新進入的線程會進入_cxp棧中，嘗試獲取鎖，如果當前線程獲得鎖就執(zhí)行代碼，如果沒有獲取到鎖則添加到EntryList阻塞隊列中

• 如果在執(zhí)行的過程的當前線程被掛起(wait)則被添加到WaitSet等待隊列中，等待被喚醒繼續(xù)執(zhí)行

• 當同步代碼塊執(zhí)行完畢以后，從_cxp或者EntryList中獲取一個線程執(zhí)行

monitorenter加鎖實現(xiàn)

• CAS修改當前monitor對象的_owner為當前線程，如果修改成功，執(zhí)行操作；

• 如果修改失敗，判斷_owner對象是否為當前線程，如果是則令_recursions重入次數(shù)加一

• 如果當前實現(xiàn)是第一次獲取到鎖，則將_recursions設(shè)置為一

• 等待鎖釋放

阻塞和獲取鎖實現(xiàn)

• 將當前線程封裝為一個node節(jié)點，狀態(tài)設(shè)置為ObjectWaiter::TS_CXQ

• 將之添加到_cxp棧中，嘗試獲取鎖，如果獲取失敗，則將當前線程掛起，等待喚醒

• 喚醒以后，從掛起點執(zhí)行剩下的代碼

monitorexit釋放鎖實現(xiàn)

• 讓當前線程的_recursions重入次數(shù)減一，如果當前重入次數(shù)為0，則直接退出，喚醒其他線程

到此，相信大家對“Synchronized的原理介紹”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進入相關(guān)頻道進行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學習！

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轉(zhuǎn)載來源：http://www.chinadenli.net/article48/iiesep.html

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