synchronized其他知识

2024-03-09 08:59:17

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上篇文章提到过，synchronized可以保证多线程之间的可见性和原子性。而且我们平时用的时候，很多时候都是直接在方法上加一个synchronized，这片文章主要介绍synchronized在使用过程中需要或者在synchronized实现上需要我们了解的一些细节以及注意事项

拿什么作为锁

在使用synchronized时候，有一点需要注意的就是，我们要知道当前各个线程来抢夺的这个锁，它到底是一个什么，这样在控制竞争的时候，我们知道线程是在一个什么范围才会去竞争这个锁。其实可以作为锁的资源就两种，一种是对象，一种是Class类。但是这两个锁资源又会分为不同的情况。

使用类实例对象作为锁

synchronized直接加在方法上、synchronized(this){}作为代码块、或者自定义一个对象作为锁，都是使用类对象作为锁，这种情况有一个要注意的是，如果当前类存在多个实例对象的时候，对象之间的锁不是一个锁，各自是各自的，如果是单例不会存在问题，但是如果当前类存在多个对象，要注意不同对象之间是会竞争不同的锁。

package cn.yarne;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * Created by yarne on 2021/9/12.
 */
public class Main {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Main main = new Main();
        new Thread(main::add).start();
        new Thread(main::reduce).start();

       /* Main main = new Main();
        Main main2 = new Main();
        new Thread(main::add).start();
        new Thread(main2::reduce).start();*/
    }

    public synchronized void add() {
        System.out.println("增加");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public synchronized void reduce() {
        System.out.println("减少");
    }
}

使用类class对象作为锁

使用类class对象作为锁，有两种方式，一种是在static静态方法上加锁，用的是当前类的Class，一种是synchronized代码块直接用某个类的.class进行锁定。使用类作为锁可以保证不论创建多少对象，最终能争抢的资源始终是一个，就是指定的类Class,因为不管对象创建多少个，最终所有的类只有一个Class。

package cn.yarne;

import java.util.concurrent.*;

/**
 * Created by yarne on 2021/9/12.
 */
public class Main {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(Main::add).start();
        new Thread(Main::reduce).start();
    }

    public static synchronized void add() {
        System.out.println("增加");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static synchronized void reduce() {
        System.out.println("减少");
    }
}

synchronized的四种状态

在这里要提一下的就是，我们知道在原本的java版本中，非常不推荐使用synchronized关键字来锁定资源，因为它是一个重量级锁，性能差，但是在Java1.6之后，对synchronized做了优化。那到底重量级锁是啥，如何做的优化，下面简单介绍一下。

锁升级

在1.6之前，synchronized直接就是一个重量级锁，没有状态一说，但是在之后的优化中，给它增加了四种锁状态做优化，由轻到重分别是无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，通过一个锁升级的一个过程，让线程在竞争锁的时候，尽量以最小的代价得到一个锁，提升整体的性能，在了解锁升级的过程中，需要有另外两个知识的了解，一个是对象头，一个是monitor。

对象头

对象在存到内存中的时候，在内存中的布局可以分为四部分：mark word、class pointer、instance、padding，我们最常知道也最常用到的就是instance,对象的实例数据，我们只要操作一个对象的时候，就会使用到，class pointer是对象的类型指针，表示当前对象是什么类型。padding的作用就是补位，比如我们知道平时在操作一些短数据类型的变量，一般都会通过补位将其转化为int，还有就是如果不是8的倍数，就会通过补位将其补成8的倍数。还有没有说到的就是mark word，mark word中存了三类信息，包括对象的Hash值，GC信息，还有我们要提到的锁信息。mark word这部分的信息，被我们一般叫做对象头，对象头中保存了四种锁状态，synchronized就是通过操作对象头中的锁信息，来达到升级的过程。

monitor

在上篇文章我们看到加了synchronized关键字的代码块，会有monitorenter,monitorexit的指令，monitor可以理解为是一个监视器，可以理解为它跟对象头中锁信息的所用很类似，如果说对象头的作用是记录当前对象作为锁的一个被使用的状态，那么monitor可以理解成是要记录每个不同的线程自己对象锁的一个操作状态，保证不论在什么情况下，只有一个线程是正常拿到锁的一个状态。当线程执行到monitorenter指令的时候，线程会去对象头中获取出来一个monitor对象。我拿出来monitor对象中几个比较我们常见操作用到的信息介绍一下

_recursions：线程每进入一次synchronized代码块，就会+1，每出来一次就会-1.最终是0的时候，标识锁占用结束
_object：存储了该monitor对应的对象头信息，也就是说用来做monitor和对象头的绑定
_owner：标识当前的monitor所属的线程
_WaitSet：如果线程在占用锁资源的时候，调用了Object的wait方法，那么当前线程会被记录到_WaitSet中，等待被唤醒
_cxq：所有在竞争锁的线程信息，都会记录到这里
_EntryList：如果线程在抢锁的过程中，一直没抢上，进入到重量级锁的阻塞状态，就会存在这个里

简单的看下其实就可以看出来，，每个monitor其实就是记录了所有线程对当前锁的一个竞争，或者使用的信息

升级过程

上边了解了对象头和monitor，我们也知道这两个互相配合，才能完成多线程情况下，对一个锁头的竞争以及竞争的状态的记录，下边简单的说一下锁的升级过程

无锁

首先对象头默认是会处于一个无锁的一个状态，因为线程还没有来竞争

偏向锁

当第一个线程来的时候，拿到了这个锁，就会给对象头打上一个偏向锁的状态，并且将自己的线程ID记录在对象头，如果下次来拿锁的还是这个线程，并且看到现在对象头是一个偏向锁的状态，就直接判断存储的偏向的线程ID是不是自己，如果是自己的话，就不需要进程到下一个状态，直接就能拿到锁，甚至可以理解为，锁本来就是自己的，可以直接去操作锁着的资源。

如果下一个线程来竞争的时候，发现是偏向锁，并且线程ID不是自己，就会去判断对应线程ID的线程是否还存活，如果是存活，并且还在执行锁内部的代码，不能释放锁，就将锁升级为下一个状态，如果对应的线程不存在或者不使用锁了，就将锁对象设置为无锁状态，重新走偏向锁的流程。

轻量级锁

如果开始发生锁竞争，首先发生的就是用轻量级（CAS）的方式来竞争锁资源。这种情形下以下几种情况发生

如果对象头是无锁的状态，线程首先会去对象头中取出来一个线程本地monitor对象，并且将monitor的_owner线程信息设置为自己的信息，并且去通过CAS的方式尝试将自己本地的monitor中的owner信息更新到对象头的那个公共的monitor中。更改成功就得到锁
如果当前线程已经拿到了锁，再一次遇到拿锁的情况的时候，直接更改自己的monitor中的_recursions，表示重入锁
如果已经有线程占用了，就开始走类似于第一步的操作，进行CAS自旋，如果到了几次之后，仍然没有拿到锁，那么当前线程就会进入到重量级竞争状态，自己进到对象头的那个公共的monitor的_EntryList中阻塞，等待被唤醒。

重量级锁

如果锁进入到了重量级的状态，有线程被阻塞到_EntryList中，那么其他所有来的线程，如果发现_EntryList里面有了，就会直接进入其中，等待被唤醒。

释放

拿到锁之后，执行完锁住的代码块，就会执行monitorexit指令，执行指令的时候。要做两个操作，一个是接触对象头中和自己monitor的互相关联绑定，然后就是如果_EntryList中有阻塞的线程，就会去唤醒一个让其去竞争锁。

总结

本片文章主要介绍了synchronized更详细的一些知识，通过这些内容可以让我们了解或者去理解synchronized优化到了一个怎样的程度，让我们可以对锁有有一个认知，在使用锁的时候，自己可以有一个衡量。当前也有一些没有讲到的内容。个人也会去多多了解这块更细致的知识点，分享出来,下片文章对于锁这部分的知识，做一个全面的梳理

参考文章:

https://www.jianshu.com/p/19f861ab749e

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