Java的Synchronized鎖原理和優化的方法

本篇文章和大家了解一下Java的Synchronized鎖原理和優化的方法。有一定的參考價值，有需要的朋友可以參考一下，希望對大家有所幫助。

一、synchronized介紹

synchronized中文意思是同步，也稱之為”同步鎖“。

synchronized的作用是保證在同一時刻， 被修飾的代碼塊或方法只會有一個線程執行，以達到保證并發安全的效果。

synchronized是Java中解決并發問題的一種最常用的方法，也是最簡單的一種方法。

在JDK1.5之前synchronized是一個重量級鎖，相對于j.u.c.Lock，它會顯得那么笨重，隨著Javs SE 1.6對synchronized進行的各種優化后，synchronized并不會顯得那么重了。

synchronized的作用主要有三個：

• 原子性： 確保線程互斥地訪問同步代碼；

• 可見性： 保證共享變量的修改能夠及時可見，其實是通過Java內存模型中的 “ 對一個變量unlock操作之前，必須要同步到主內存中；如果對一個變量進行lock操作，則將會清空工作內存中此變量的值，在執行引擎使用此變量前，需要重新從主內存中load操作或assign操作初始化變量值 ” 來保證的；

• 有序性： 有效解決重排序問題，即 “一個unlock操作先行發生(happen-before)于后面對同一個鎖的lock操作”；

二、synchronized的使用

synchronized的3種使用方式：

• 修飾實例方法： 作用于當前實例加鎖

• 修飾靜態方法： 作用于當前類對象加鎖

• 修飾代碼塊： 指定加鎖對象，對給定對象加鎖

1.修飾方法

Synchronized修飾一個方法很簡單，就是在方法的前面加synchronized，synchronized修飾方法和修飾一個代碼塊類似，只是作用范圍不一樣，修飾代碼塊是大括號括起來的范圍，而修飾方法范圍是整個函數。

• 方法一：修飾的是一個方法

public synchronized void method()
{
   // todo
}

• 方法二：修飾的是一個代碼塊

public void method()
{
   synchronized(this) {
      // todo
   }
}

方法一與方法二是等價的，都是鎖定了整個方法時的內容。

synchronized關鍵字不能繼承。雖然可以使用synchronized來定義方法，但synchronized并不屬于方法定義的一部分，因此，synchronized關鍵字不能被繼承。

• 在子類方法中加上synchronized關鍵字

class Parent {
   public synchronized void method() { }
}
class Child extends Parent {
   public synchronized void method() { }
}

• 在子類方法中調用父類的同步方法

class Parent {
   public synchronized void method() {   }
}
class Child extends Parent {
   public void method() { super.method();   }
}

注意：

• 在定義接口方法時不能使用synchronized關鍵字。

• 構造方法不能使用synchronized關鍵字，但可以使用synchronized代碼塊來進行同步。

當有一個明確的對象作為鎖時，就可以用類似下面這樣的方式寫程序：

public void method3(SomeObject obj)
{
   //obj 鎖定的對象
   synchronized(obj)
   {
      // todo
   }
}

當沒有明確的對象作為鎖，只是想讓一段代碼同步時，可以創建一個特殊的對象來充當鎖：

class Test implements Runnable
{
   private byte[] lock = new byte[0];  // 特殊的instance變量
   public void method()
   {
      synchronized(lock) {
         // todo 同步代碼塊
      }
   }
   public void run() {
   }
}

• 2.修飾一個靜態方法

synchronized也可修飾一個靜態方法，用法如下：

public synchronized static void method() {
   // todo
}

• 3.修飾一個類

Synchronized還可作用于一個類，用法如下：

class ClassName {
   public void method() {
      synchronized(ClassName.class) {
         // todo
      }
   }
}

使用總結

• 無論synchronized關鍵字加在方法上還是對象上，如果它作用的對象是非靜態的，則它取得的鎖是對象；如果synchronized作用的對象是一個靜態方法或一個類，則它取得的鎖是對類，該類所有的對象同一把鎖。

• 每個對象只有一個鎖（lock）與之相關聯，誰拿到這個鎖誰就可以運行它所控制的那段代碼。

• 實現同步是要很大的系統開銷作為代價的，甚至可能造成死鎖，所以盡量避免無謂的同步控制。

三、synchronized的底層實現

談synchronized的底層實現，就不得不談數據在JVM內存的存儲：Java對象頭，以及Monitor對象監視器。

對象頭

在JVM中，對象在內存中的布局分為三塊區域：對象頭、實例數據和對齊填充。如下圖所示：

• 實例數據： 存放類的屬性數據信息，包括父類的屬性信息；

• 對齊填充： 由于虛擬機要求 對象起始地址必須是8字節的整數倍。填充數據不是必須存在的，僅僅是為了字節對齊；

• 對象頭： Java對象頭一般占有2個機器碼（在32位虛擬機中，1個機器碼等于4字節，也就是32bit，在64位虛擬機中，1個機器碼是8個字節，也就是64bit），但是如果對象是數組類型，則需要3個機器碼，因為JVM虛擬機可以通過Java對象的元數據信息確定Java對象的大小，但是無法從數組的元數據來確認數組的大小，所以用一塊來記錄數組長度。

synchronized用的鎖就是存在Java對象頭里的，那么什么是Java對象頭呢？Hotspot虛擬機的對象頭主要包括兩部分數據：Mark Word（標記字段）、Class Pointer（類型指針）。

其中 Class Pointer是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例，Mark Word用于存儲對象自身的運行時數據，它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵。

監視器（Monitor）

任何一個對象都有一個Monitor與之關聯，當且一個Monitor被持有后，它將處于鎖定狀態。

synchronized在JVM里的實現都是 基于進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步，雖然具體實現細節不一樣，但是都可以通過成對的MonitorEnter和MonitorExit指令來實現。

• MonitorEnter指令： 插入在同步代碼塊的開始位置，當代碼執行到該指令時，將會嘗試獲取該對象Monitor的所有權，即嘗試獲得該對象的鎖；

• MonitorExit指令： 插入在方法結束處和異常處，JVM保證每個MonitorEnter必須有對應的MonitorExit；

那什么是Monitor？可以把它理解為 一個同步工具，也可以描述為 一種同步機制，它通常被描述為一個對象。

與一切皆對象一樣，所有的Java對象是天生的Monitor，每一個Java對象都有成為Monitor的潛質，因為在Java的設計中 ，每一個Java對象自打娘胎里出來就帶了一把看不見的鎖，它叫做內部鎖或者Monitor鎖。

也就是通常說Synchronized的對象鎖，MarkWord鎖標識位為10，其中指針指向的是Monitor對象的起始地址。在Java虛擬機（HotSpot）中，Monitor是由ObjectMonitor實現的。

四、synchronized 鎖的升級順序

鎖解決了數據的安全性，但是同樣帶來了性能的下降。hotspot 虛擬機的作者經過調查發現，大部分情況下，加鎖的代碼不僅僅不存在多線程競爭，而且總是由同一個線程多次獲得。所以基于這樣一個概率。

synchronized 在JDK1.6 之后做了一些優化，為了減少獲得鎖和釋放鎖來的性能開銷，引入了偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖、重量級鎖，鎖的狀態根據競爭激烈的程度從低到高不斷升級。

鎖主要存在四種狀態，依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態、重量級鎖狀態，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖。但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現鎖的降級。而且這個過程就是開銷逐漸加大的過程。

以上就是Java的Synchronized鎖原理和優化的方法的簡略介紹，當然詳細使用上面的不同還得要大家自己使用過才領會。如果想了解更多，歡迎關注億速云行業資訊頻道哦！