談談大廠愛問的Synchronized原理(建議收藏)

最近小夥伴大廠面試歸來，很多都被問到了Synchronized，很多同學對原理都忘了，下面我就再談談Synchronized的原理。

一般都會涉及到如下內容：內容底層實現，鎖升級、怎麼儲存等等，下面一一詳解@mikechen

Synchronized

synchronized關鍵字解決的是多個執行緒之間訪問資源的同步性，synchronized 翻譯為中文的意思是同步，也稱之為”同步鎖“。

synchronized的作用是保證在同一時刻， 被修飾的程式碼塊或方法只會有一個執行緒執行，以達到保證併發安全的效果。

Synchronized的使用方式

主要有3種使用方式:

1.修飾例項方法：作用於當前例項加鎖

public synchronized void method(){        // 程式碼}

2.修飾靜態方法：作用於當前類物件加鎖

public static synchronized void method(){         // 程式碼  }

3.修飾程式碼塊：指定加鎖物件，對給定物件加鎖

synchronized(this){   //程式碼                                    }

 

Synchronized的底層實現

synchronized的底層實現是完全依賴JVM虛擬機器的,所以談synchronized的底層實現，就不得不談資料在JVM記憶體的儲存：Java物件頭，以及Monitor物件監視器。

1.Java物件頭

在JVM虛擬機器中，物件在記憶體中的儲存佈局，可以分為三個區域:

• 物件頭(Header)

• 例項資料(Instance Data)

• 對齊填充(Padding)

Java物件頭主要包括兩部分資料：

1)型別指標（Klass Pointer）

是物件指向它的類後設資料的指標，虛擬機器透過這個指標來確定這個物件是哪個類的例項;

2)標記欄位(Mark Word)

用於儲存物件自身的執行時資料，如雜湊碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖、偏向執行緒 ID、偏向時間戳等等,它是實現輕量級鎖和偏向鎖的關鍵.

所以，很明顯synchronized使用的鎖物件是儲存在Java物件頭裡的標記欄位裡。

2.Monitor

monitor描述為物件監視器,可以類比為一個特殊的房間，這個房間中有一些被保護的資料，monitor保證每次只能有一個執行緒能進入這個房間進行訪問被保護的資料，進入房間即為持有monitor，退出房間即為釋放monitor。

上圖是syncrhoized同步程式碼塊反編譯截圖，可以很清楚的看見，主要就是透過鎖物件的monitor的取用（monitorenter）與釋放來(monitorexit)實現的。

3.執行緒狀態流轉在Monitor上體現

當多個執行緒同時請求某個物件監視器時，物件監視器會設定幾種狀態用來區分請求的執行緒：

• Contention List：所有請求鎖的執行緒將被首先放置到該競爭佇列

• Entry List：Contention List中那些有資格成為候選人的執行緒被移到Entry List

• Wait Set：那些呼叫wait方法被阻塞的執行緒被放置到Wait Set

• OnDeck：任何時刻最多隻能有一個執行緒正在競爭鎖，該執行緒稱為OnDeck

• Owner：獲得鎖的執行緒稱為Owner

• !Owner：釋放鎖的執行緒

下圖反映了個狀態轉換關係:

Synchronized 的鎖升級

鎖解決了資料的安全性，但是同樣帶來了效能的下降，hotspot 虛擬機器的作者經過調查發現，大部分情況下，加鎖的程式碼不僅僅不存在多執行緒競爭，而且總是由同一個執行緒多次獲得。

所以基於這樣一個機率,synchronized 在JDK1.6 之後做了一些最佳化，為了減少獲得鎖和釋放鎖來的效能開銷，引入了偏向鎖，鎖的狀態根據競爭激烈的程度從低到高不斷升級。

1.無鎖

無鎖沒有對資源進行鎖定，所有的執行緒都能訪問並修改同一個資源，但同時只有一個執行緒能修改成功。

2.偏向鎖

偏向鎖是JDK6中引入的一項鎖最佳化，大多數情況下，鎖不僅不存在多執行緒競爭，而且總是由同一執行緒多次獲得，為了讓執行緒獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。

偏向鎖是指一段同步程式碼一直被一個執行緒所訪問，那麼該執行緒會自動獲取鎖，降低獲取鎖的代價。

3.輕量級鎖

是指當鎖是偏向鎖的時候，被另外的執行緒所訪問，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他執行緒會透過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，從而提高效能。

4.重量級鎖

指的是原始的Synchronized的實現，重量級鎖的特點：其他執行緒試圖獲取鎖時，都會被阻塞，只有持有鎖的執行緒釋放鎖之後才會喚醒這些執行緒。