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Java的Synchronized锁原理和优化的方法

发布时间:2023-11-30 11:39:36 来源:亿速云 阅读:83 作者:栢白 栏目:开发技术

本篇文章和大家了解一下Java的Synchronized锁原理和优化的方法。有一定的参考价值,有需要的朋友可以参考一下,希望对大家有所帮助。


一、synchronized介绍

synchronized中文意思是同步,也称之为”同步锁“。

synchronized的作用是保证在同一时刻, 被修饰的代码块或方法只会有一个线程执行,以达到保证并发安全的效果。

synchronized是Java中解决并发问题的一种最常用的方法,也是最简单的一种方法。

在JDK1.5之前synchronized是一个重量级锁,相对于j.u.c.Lock,它会显得那么笨重,随着Javs SE 1.6对synchronized进行的各种优化后,synchronized并不会显得那么重了。

synchronized的作用主要有三个:

  • 原子性: 确保线程互斥地访问同步代码;

  • 可见性: 保证共享变量的修改能够及时可见,其实是通过Java内存模型中的 “ 对一个变量unlock操作之前,必须要同步到主内存中;如果对一个变量进行lock操作,则将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用此变量前,需要重新从主内存中load操作或assign操作初始化变量值 ” 来保证的;

  • 有序性: 有效解决重排序问题,即 “一个unlock操作先行发生(happen-before)于后面对同一个锁的lock操作”;

二、synchronized的使用

synchronized的3种使用方式:

  • 修饰实例方法: 作用于当前实例加锁

  • 修饰静态方法: 作用于当前类对象加锁

  • 修饰代码块: 指定加锁对象,对给定对象加锁

1.修饰方法

Synchronized修饰一个方法很简单,就是在方法的前面加synchronizedsynchronized修饰方法和修饰一个代码块类似,只是作用范围不一样,修饰代码块是大括号括起来的范围,而修饰方法范围是整个函数。

  • 方法一:修饰的是一个方法

public synchronized void method()
{
   // todo
}
  • 方法二:修饰的是一个代码块

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

方法一与方法二是等价的,都是锁定了整个方法时的内容。

synchronized关键字不能继承。虽然可以使用synchronized来定义方法,但synchronized并不属于方法定义的一部分,因此,synchronized关键字不能被继承。

  • 在子类方法中加上synchronized关键字

class Parent {
   public synchronized void method() { }
}
class Child extends Parent {
   public synchronized void method() { }
}
  • 在子类方法中调用父类的同步方法

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

注意:

  • 在定义接口方法时不能使用synchronized关键字。

  • 构造方法不能使用synchronized关键字,但可以使用synchronized代码块来进行同步。

当有一个明确的对象作为锁时,就可以用类似下面这样的方式写程序:

public void method3(SomeObject obj)
{
   //obj 锁定的对象
   synchronized(obj)
   {
      // todo
   }
}

当没有明确的对象作为锁,只是想让一段代码同步时,可以创建一个特殊的对象来充当锁:

class Test implements Runnable
{
   private byte[] lock = new byte[0];  // 特殊的instance变量
   public void method()
   {
      synchronized(lock) {
         // todo 同步代码块
      }
   }
   public void run() {
   }
}
  • 2.修饰一个静态方法

synchronized也可修饰一个静态方法,用法如下:

public synchronized static void method() {
   // todo
}
  • 3.修饰一个类

Synchronized还可作用于一个类,用法如下:

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

使用总结

  • 无论synchronized关键字加在方法上还是对象上,如果它作用的对象是非静态的,则它取得的锁是对象;如果synchronized作用的对象是一个静态方法或一个类,则它取得的锁是对类,该类所有的对象同一把锁。

  • 每个对象只有一个锁(lock)与之相关联,谁拿到这个锁谁就可以运行它所控制的那段代码。

  • 实现同步是要很大的系统开销作为代价的,甚至可能造成死锁,所以尽量避免无谓的同步控制。

三、synchronized的底层实现

synchronized的底层实现,就不得不谈数据在JVM内存的存储:Java对象头,以及Monitor对象监视器。

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。如下图所示:

Java的Synchronized锁原理和优化的方法

  • 实例数据: 存放类的属性数据信息,包括父类的属性信息;

  • 对齐填充: 由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的,仅仅是为了字节对齐;

  • 对象头: Java对象头一般占有2个机器码(在32位虚拟机中,1个机器码等于4字节,也就是32bit,在64位虚拟机中,1个机器码是8个字节,也就是64bit),但是如果对象是数组类型,则需要3个机器码,因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是无法从数组的元数据来确认数组的大小,所以用一块来记录数组长度。

synchronized用的锁就是存在Java对象头里的,那么什么是Java对象头呢?Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据:Mark Word(标记字段)、Class Pointer(类型指针)。

其中 Class Pointer是对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例,Mark Word用于存储对象自身的运行时数据,它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。

监视器(Monitor)

任何一个对象都有一个Monitor与之关联,当且一个Monitor被持有后,它将处于锁定状态。

synchronized在JVM里的实现都是 基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步,虽然具体实现细节不一样,但是都可以通过成对的MonitorEnterMonitorExit指令来实现。

  • MonitorEnter指令: 插入在同步代码块的开始位置,当代码执行到该指令时,将会尝试获取该对象Monitor的所有权,即尝试获得该对象的锁;

  • MonitorExit指令: 插入在方法结束处和异常处,JVM保证每个MonitorEnter必须有对应的MonitorExit

那什么是Monitor?可以把它理解为 一个同步工具,也可以描述为 一种同步机制,它通常被描述为一个对象。

与一切皆对象一样,所有的Java对象是天生的Monitor,每一个Java对象都有成为Monitor的潜质,因为在Java的设计中 ,每一个Java对象自打娘胎里出来就带了一把看不见的锁,它叫做内部锁或者Monitor锁。

也就是通常说Synchronized的对象锁,MarkWord锁标识位为10,其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。在Java虚拟机(HotSpot)中,Monitor是由ObjectMonitor实现的。

四、synchronized 锁的升级顺序

锁解决了数据的安全性,但是同样带来了性能的下降。hotspot 虚拟机的作者经过调查发现,大部分情况下,加锁的代码不仅仅不存在多线程竞争,而且总是由同一个线程多次获得。所以基于这样一个概率。

synchronized 在JDK1.6 之后做了一些优化,为了减少获得锁和释放锁来的性能开销,引入了偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁,锁的状态根据竞争激烈的程度从低到高不断升级。

锁主要存在四种状态,依次是:无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态,锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级的重量级锁。但是锁的升级是单向的,也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级。而且这个过程就是开销逐渐加大的过程。

Java的Synchronized锁原理和优化的方法

以上就是Java的Synchronized锁原理和优化的方法的简略介绍,当然详细使用上面的不同还得要大家自己使用过才领会。如果想了解更多,欢迎关注亿速云行业资讯频道哦!

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