java线程总结--synchronized关键字，原理以及相关的锁

Posted 2020-09-18

在多线程编程中，synchronized关键字非常常见，当我们需要进行“同步”操作时，我们很多时候需要该该关键字对代码块或者方法进行锁定。被synchronized锁定的代码块，只能同时有一条线程访问该代码块。

上面是很多人的认识，当然也是我之前对synchronized关键字的浅显认识，其实上面的观点存在一定的偏差。在参考了很多文章以及自己动手测试过相关代码后，我觉得有必要记录下自己对synchronized关键字的一些理解，在这个过程，会简单说说synchronized关键字的具体实现原理。

 

一、synchronized：synchronized是锁代码块还是锁对象？

　　synchronized具有同步的功能，更准确说是具有互斥的锁功能，那么，它到底是锁定了相关的代码块还是说锁定了对象数据？答案是锁对象。下面就从synchronized修饰方法和修饰具体代码块两方面理解这个结论：synchronized是锁对象的。

　　1、synchronized修饰方法

　　　　废话不多说，先简单看测试代码：

　　代码一

public class SynchronizedTest1 {    public static void main(String [] argStrings){        final Test1 test1 = new Test1();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {                try {
                    test1.firstMethod();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();        
        new Thread(new Runnable() {            public void run() {
                test1.secondMethod();
                
            }
        }).start();
}class Test1{    public synchronized void firstMethod() throws InterruptedException{
        System.out.println("firstMethod");
        Thread.sleep(2000);
    }    public void secondMethod(){
        System.out.println("secondMethod");
    }
}

　　输出结果：　firstMethod     secondMethod  或者   secondMethod  firstMethod    

 然后，看代码二

　　

public class SynchronizedTest1 {    public static void main(String [] argStrings){        final Test1 test1 = new Test1();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {                try {
                    test1.firstMethod();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {
                test1.thirdMethod();
                
            }
        }).start();
    }
}class Test1{    public synchronized void firstMethod() throws InterruptedException{
        System.out.println("firstMethod");
        Thread.sleep(2000);
    }    public synchronized void thirdMethod(){
        System.out.println("thirdMethod");
    }
}

　　结果一直是：firstMethod   thirdMethod

　　所以，我们可以得出以下结论（在理解该结论前读者可以先假设每个对象均有一个锁对象，具体后面讲解synchronized关键字原理时会讲解）：

　　synchronize修饰方法时（非静态方法，静态方法稍后讨论），表示某个线程执行到该方法时会锁定当前对象，其他线程不可以调用该对象中含有synchronized关键字的方法，因为这些线程的这些方法要执行前提是要获得该对象的锁。

　　就上面的例子具体说：

　　在代码一中，由于secondMethod方法没有synchronized关键字修饰，该方法执行无需获取当前对象的锁，所以secondMethod和firstMethod执行是并行的；

　　在代码二中，firstMethod和thirdMethod方法均有synchronized关键字修饰，两个方法执行前提是可以获取当前对象的锁，所以两者是无法同时进行的，因为同一个对象中只有一把锁。

ok，理解上面的例子之后，估计读者理解下面的代码就简单很多了，好，上代码：

　　代码三：修饰静态方法时的情形（只有一个方法有static修饰）

public class SynchronizedTest1 {    public static void main(String [] argStrings){        final Test2 test2 = new Test2();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {                try {
                    test2.firstMethod();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {
                test2.thirdMethod();
                
            }
        }).start();
    }
}class Test2{    public static synchronized void firstMethod() throws InterruptedException{
        System.out.println("firstMethod");
        Thread.sleep(2000);
    }    public synchronized void thirdMethod(){
        System.out.println("thirdMethod");
    }
}

执行结果是：firstMethod   thirdMethod 或者thirdMethod   firstMethod

　　　　代码四：（都有static修饰）

public class SynchronizedTest1 {    public static void main(String [] argStrings){        final Test2 test2 = new Test2();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {                try {
                    test2.firstMethod();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {
                test2.thirdMethod();
                
            }
        }).start();
    }
}class Test2{    public static synchronized void firstMethod() throws InterruptedException{
        System.out.println("firstMethod");
        Thread.sleep(2000);
    }    public static synchronized void thirdMethod(){
        System.out.println("thirdMethod");
    }
}

　　　　执行结果是：firstMethod   thirdMethod

　　　　从上面结果我们可以知道：synchronized修饰静态方法时，它会锁定Class实例对象。

　　　　所以代码三中由于firstMethod和thirdMethod锁定对象不同，所以他们可以并行执行；代码四中两个方法都锁定了class对象，所以无法并行执行。

　　好，上面一大坨的文字，总结一句话起来就是这样：

　　synchronized修饰静态方法时，它表示锁定class对象；修饰动态方法时，表示锁定当前对象（this）。

　　

　　2、synchronized修饰代码块

　　其实，上面的讲解已经很明确指出了一个事实：synchronized关键字就是表示当前代码锁住了某个对象，其他需要获取该锁（即被synchronized修饰）的代码块需要被执行，必须获取该对象的锁，即等到synchronized释放锁（其实就是改代码块执行完），它才有可能被执行，只是当synchronized修饰代码块时，必须显式地指出它锁定了哪个对象而已。上代码：

　　代码五：

public class SynchronizedTest1 {    public static void main(String [] argStrings){        final Test3 test3 = new Test3();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {                try {
                    test3.firstMethod();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {
                test3.thirdMethod();
                
            }
        }).start();
    }
}class Test3{    public void firstMethod() throws InterruptedException{        synchronized (this) {
            System.out.println("firstMethod");
            Thread.sleep(2000);
        }
    }    public void thirdMethod(){        synchronized (this) {
            System.out.println("thirdMethod");
        }
    }
}

　　上面代码和代码二五执行效果任何区别，实现的功能也是一样的。

　　当然，与直接修饰方法相比，synchronized修饰代码块时，this可以换成其他对象，我们锁定对象的代码块也可以粒度更小。

　好，上面一堆废话其实归根到底都是说明一个道理：synchronized修饰的代码，它表示锁住了某个对象，被该关键字修饰的其他线程（强调其他线程，稍后讲为什么）的方法如果要执行，也必须得到该锁，即synchronized代码块执行完。

上面强调其他线程的意思是，如果同一个线程中被synchronized的方法，则无需获取该锁，这是合理的，具体看下面例子估计就明白我在说什么了：

public class SynchronizedTest1 {    public static void main(String [] argStrings){        final Test4 test4 = new Test4();        new Thread(new Runnable() {            public void run() {                try {
                    test4.firstMethod();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}class Test4{    public synchronized void firstMethod() throws InterruptedException{
        System.out.println("firstMethod");
        Thread.sleep(2000);
        secondMethod();
    }    public synchronized void secondMethod(){
        System.out.println("secondMethod");
    }
}

　　结果是:firstMethod  secondMethod

　　好吧，我也觉得我在讲废话，确实这是显而易见的结果：被synchronized修饰的方法如果互相嵌套调用，同一条线程中并不需要等待上一个synchronized块执行完，毕竟，这样会陷入死循环。获取锁或者说锁定对象，是针对不同线程而言的。

 

二、synchronized原理详解

　　1、首先理解几个锁概念：对象锁（也就重量锁），轻量锁，偏向锁

　　A、对象锁（重量锁）

　　在多线程环境下，大多数（后面会将为什么是大多数修饰）每个对象都会有一个monitor对象（关于monitor具体可以查看jdk api文档），这个对象其实就是上面我们解释synchronized关键字时对应的锁。这个对象锁负责管理所有访问该对象的线程，具体管理模型图可以参考下面的示意图：

　　对于访问该对象的线程，并发情况下，没有抢到锁（即对象访问权）的线程，会被monitor丢进list这个队列进行等候（当然，自旋锁情况例外，后面会具体讲解什么卵是自旋锁）。而所谓的公平锁与非公平锁，就是在notify唤醒list中的等候线程时，list中的线程是按照排队顺序获得锁还是一起抢该对象的锁，前者是公平的，先等候的线程先获得锁；后者则是不公平的，抢不抢到锁，和线程等待时间无关，与运气有关。

　　B、轻量锁

　　显然，重量锁对于每个对象都要维护一个monitor对象，开销肯定是挺大的，jvm对此进行了一些优化，这便是轻量锁出现的原因。

　　轻量锁大概是这样一种概念：尽管程序是多线程环境，但是如果访问当前对象的，该对象并不会new一个monitor，而是在对象的头部用一个标识字段（貌似是两位的二进制数）表示锁，这个就是轻量锁。在线程尝试访问该对象时，该线程会将当前线程私有空间中的对应锁标识字拷贝到对象头部，如果修改成功，表示只有一条线程访问该对象该对象继续采用轻量锁；如果发现轻量锁已经被其他线程占有锁定，jvm会将轻量锁升级为重量锁。

　　C、偏向锁

　　偏向锁是比轻量锁更轻量的锁：当jvm发现当前程序是但线程运行时，变会对对象采取偏向锁，当然，一旦发现有synchronized多线程执行情形，jvm会把偏向锁上升为轻量锁。

 

　　2、synchronized如何实现

　　了解了上面提到的几个锁的概念后，理解synchronized实现原理就非常容易了。

　　在多线程环境下，对象对应的monitor管理着需要访问该对象的所有线程，monitor中会有个变量存储synchronized获取次数，在一个线程的中的某个synchronized代码块获取monitor之后，该变量数加一，对于synchronized嵌套情形一样如此：有多少个synchronized，对应的变量值就是多少，对于其他线程如果想获得monitor，必须等到当前占有monitor线程的所有synchronized块均执行完，每执行完一个synchronized块，标识变量值减一，变为0时，其他线程就可以开始抢锁了。

　　所以，所有的管理工作均由monitor完成，它是synchronized实现的核心。

　　3、其他知识的补充

　　A、自旋锁

　　　　上面提到，monitor在管理每个阻塞线程的时候，会把它们放进一个队列里面，这是针对非自旋锁，当monitor被设置为自旋锁锁时，线程不会被挂起放进队列，而是在做循环，直到获取monitor的访问权。所以自旋锁有什么存在必要呢？其实，线程的挂起和唤醒的调度过程是需要耗费cpu的，当线程持有锁的时间非常短时，我们没必要将等待线程挂起，这样会导致线程的频繁挂起和唤醒，浪费了cpu资源。当然，自旋锁中线程在做循环时肯定也会消耗资源的，所以如何选择还是要衡量调度线程花费大还是线程原地循环花费大。

　　　　另外，针对上面情形，还有一种锁叫做自适应自旋锁，它大概解决了上面提到的一些问题；

　　B、自适应自旋锁

　　　　自适应自旋锁其实就是在自旋锁的基础上加了个自旋数的计数：当循环了一定次数后，该线程还没有获取锁时，它就被丢进队列里挂起。