音视频开发之旅（53) - Java并发编程 之 synchronized

Posted 2022-12-07 音视频开发之旅

 

目录

1. synchronized的使用方式
2. synchronized的原理
3. 线程的等待、中断与唤醒
4. 资料
5. 收获

一、synchronized的使用方式

关键字 synchronized可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块.有如下三种常见的使用：

• 修饰实例方法，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁

     synchronized void syncIncrease4Obj()
        synchronized (this)
            i++;
        
    

• 修饰静态方法，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁

    synchronized static void syncIncrease()
        synchronized (this)
            i++;
        
    

• 修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。
  针对方法体可能比较大，同时存在一些比较耗时的操作，而需要同步的代码又只有一小部分，如果直接对整个方法进行同步操作，可能会得不偿失，此时我们可以使用同步代码块的方式对需要同步的代码进行包裹

   public void syncIncrease()
        synchronized (this)
            i++;
        
    

二、 synchronized的原理

2.1 查看反汇编代码

通过javap查看生成的class文件发现，施加了synchronized的代码块的实现使用了monitorenter和monitorexit指令。而同步方法则依靠修饰符ACC_SYNCHRONIZED来完成。

先看下synchronized修饰方法的反汇编

    public static synchronized void increase()
        i++;
    

    public synchronized void increase4Obj()
        i++;
    

---> javap -c -v Main.class 反编译对应汇编如下:

public static synchronized void syncIncrease();
   descriptor: ()V
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED  //同步标示
   Code:
     stack=2, locals=0, args_size=0
        0: getstatic     #2                  // Field i:I
        3: iconst_1
        4: iadd
        5: putstatic     #2                  // Field i:I
        8: return
     LineNumberTable:
       line 12: 0
       line 13: 8

 public synchronized void syncIncrease4Obj();
   descriptor: ()V
   flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED.        //同步标示
   Code:
     stack=2, locals=1, args_size=1
        0: getstatic     #2                  // Field i:I
        3: iconst_1
        4: iadd
        5: putstatic     #2                  // Field i:I
        8: return
     LineNumberTable:
       line 19: 0
       line 20: 8

ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用

再来看下以代码块方式使用synchronized 的反编译

 
   public void syncIncrease()
        synchronized (this)
            i++;
        
    

-->javap -c Main.class 反编译对应汇编如下:

public void syncIncrease();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: astore_1
       3: monitorenter                //进入同步方法
       4: aload_0
       5: dup
       6: getfield      #2                  // Field i:I
       9: iconst_1
      10: iadd
      11: putfield      #2                  // Field i:I
      14: aload_1
      15: monitorexit                 //退出同步方法
      16: goto          24
      19: astore_2
      20: aload_1
      21: monitorexit                 //退出同步方法（这个是针对异常处理的）
      22: aload_2
      23: athrow
      24: return

Q: 从上面的字节码可以看出，多了一个monitorexit指令，为什么？
A: 为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，异常结束时被执行的释放monitor 的指令。

无论采用哪种方式，其本质都是对一个对象的监视器(monitor)的获取，而这个获取是排他的，也就是同一时刻只能有一个线程获得synchrozied所保护对性的监视器。没有获得监视器的线程将会被阻塞在同步块或者同步方法的入口处，进入BLOCKED状态

图片来自：《java并发编程的艺术》

当执行monitorenter指令时，当前线程将试图获取 objectref(即对象锁) 所对应的 monitor 的持有权，当 objectref 的 monitor 的进入计数器为 0，那线程可以成功取得 monitor，并将计数器值设置为 1，取锁成功。
如果当前线程已经拥有 objectref 的 monitor 的持有权，那它可以重入这个 monitor，重入时计数器的值也会加 1。
倘若其他线程已经拥有 objectref 的 monitor 的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行线程执行完毕，即monitorexit指令被执行

那么怎么知道该线程是否获取了某个对象的监视器呐？
下面我们一起来学习 一个对象在JVM中的的内存布局，来寻找答案。

2.2 对象头

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

图片来源：深入理解Java并发之synchronized实现原理

对象头: 是实现synchronized锁的基础。
实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分是按照4字节对齐
填充数据：用于字节对齐。虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。

Java头对象，它是synchronized的锁对象的基础，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的Mark Word中

图片来自：《java并发编程的艺术》

2.3 重量级锁、偏向锁、轻量级锁

2.3.1 重量级锁

在Java1.6之前synchronized只有重量级锁，Mark Word指针指向的是monitor对象. 在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下:

ObjectMonitor() 
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  

监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高.

Java 6之后，从JVM层面对synchronized较大优化，引入了轻量级锁和偏向锁，减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗

2.3.2 偏向锁

偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程, 这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能

2.3.3 轻量级锁

轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

自旋锁

轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了
引用自：强烈推荐-深入理解Java并发之synchronized实现原理

锁消除

Java虚拟机在JIT编译时，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间

三、 线程的等待、中断与唤醒

3.1 等待/通知机制

等待/通知的相关方法是任意java对象都具备的，因为这些方法被定义在Object类上

• notify: 通知一个在对象上等待的线程，使其从wait方法返回，而返回的前提是该线程获取到了对象的锁 notify将等待队列中的一个等待线程移动到同步队列中，被移动的线程状态有WAITING变成BLOCKED

• notifyAll: 通知所有等待该对象上的线程。

• wait: 调用该方法的线程进入WAITING状态，并将当前线程放置到对象的等待队列。 只有等待另一个线程通知或者被中断才会被返回，需要注意，调用wait方法后，会释放对象的锁。

• wait(long): 超时等待一段时间，这里的参数时间是毫秒，也就是等待长达n毫秒，如果没有通知就超时返回

• Wait(long ,int) 对于超时时间更细的控制，可以达到纳秒。

在使用上述几个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常

3.2 中断与唤醒

//中断线程（实例方法）
public void Thread.interrupt();

//判断线程是否被中断（实例方法）
public boolean Thread.isInterrupted();

//判断是否被中断并清除当前中断状态（静态方法）
public static boolean Thread.interrupted();

• 当一个线程处于被阻塞状态或者试图执行一个阻塞操作时，使用Thread.interrupt()方式中断该线程，注意此时将会抛出一个InterruptedException的异常，同时中断状态将会被复位(由中断状态改为非中断状态)

• 当线程处于运行状态时，也可调用实例方法interrupt()进行线程中断，但同时必须手动判断中断状态，并编写中断线程的代码(其实就是结束run方法体的代码)。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread t1=new Thread()
            @Override
            public void run()
                while(true)
                    //判断当前线程是否被中断
                    if (this.isInterrupted())
                        System.out.println("线程中断");
                        break;
                    
                

                System.out.println("已跳出循环,线程中断!");
            
        ;
        t1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        t1.interrupt();

    

结合上面两点，可以采用如何方式判断：

public void run()
    try 
    //判断当前线程是否已中断,注意interrupted方法是静态的,执行后会对中断状态进行复位
    while (!Thread.interrupted()) 
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    
     catch (InterruptedException e) 

    

• 线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用. 由于对象锁被其他线程占用，导致等待线程只能等到锁，此时我们调用了thread.interrupt();但并不能中断线程。

资料

1. 图书：《java并发编程的艺术》
2. 强烈推荐-深入理解Java并发之synchronized实现原理

收获

通过本篇的学习实践

1. 回顾了synchronized的基本使用
2. 学习了synchronized的实现同步的原理
3. 了解了JVM对synchronized做的优化
4. 学习回顾了线程的等待、中断与唤醒

感谢你的阅读
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