目录
前言
毫无疑问，synchronized是我们用过的第一个并发关键字，很多博文都在讲解这个技术。不过大多数讲解还停留在对synchronized的使用层面，其底层的很多原理和优化，很多人可能并不知晓。因此本文将通过对synchronized的大量C源码分析，让大家对他的了解更加透彻点。
本篇将从为什么要引入synchronized，常见的使用方式，存在的问题以及优化部分这四个方面描述，话不多说，开始表演。
synchronized的常见使用方式
修饰代码块（同步代码块）
synchronized (object) {
//具体代码
}
修饰方法
synchronized void test(){
//具体代码
}
synchronized不能继承？（插曲）
父类A:
public class A {
synchronized void test() throws Exception {
try {
System.out.println("main 下一步 sleep begin threadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(5000);
System.out.println("main 下一步 sleep end threadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
子类B:(未重写test方法)
public class B extends A {
}
子类C:(重写test方法)
public class C extends A {
@Override
void test() throws Exception{
try {
System.out.println("sub 下一步 sleep begin threadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
Thread.sleep(5000);
System.out.println("sub 下一步 sleep end threadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
线程A:
public class ThreadA extends Thread {
private A a;
public void setter (A a) {
this.a = a;
}
@Override
public void run() {
try{
a.test();
}catch (Exception e){
}
}
}
线程B:
public class ThreadB extends Thread {
private B b;
public void setB(B b){
this.b=b;
}
@Override
public void run() {
try{
b.test();
}catch (Exception e){
}
}
}
线程C:
public class ThreadC extends Thread{
private C c;
public void setC(C c){
this.c=c;
}
@Override
public void run() {
try{
c.test();
}catch (Exception e){
}
}
}
测试类test:
public class test {
public static void main(String[] args) throws Exception {
A a = new A();
ThreadA A1 = new ThreadA();
A1.setter(a);
A1.setName("A1");
A1.start();
ThreadA A2 = new ThreadA();
A2.setter(a);
A2.setName("A2");
A2.start();
A1.join();
A2.join();
System.out.println("=============");
B b = new B();
ThreadB B1 = new ThreadB();
B1.setB(b);
B1.setName("B1");
B1.start();
ThreadB B2 = new ThreadB();
B2.setB(b);
B2.setName("B2");
B2.start();
B1.join();
B2.join();
System.out.println("=============");
C c = new C();
ThreadC C1 = new ThreadC();
C1.setName("C1");
C1.setC(c);
C1.start();
ThreadC C2 = new ThreadC();
C2.setName("C2");
C2.setC(c);
C2.start();
C1.join();
C2.join();
}
}
运行结果：
子类B继承了父类A,但是没有重写test方法，ThreadB仍然是同步的。子类C继承了父类A，也重写了test方法，但是未明确写上synchronized，所以这个方法并不是同步方法。只有显式的写上synchronized关键字，才是同步方法。
所以synchronized不能继承这句话有歧义，我们只要记住子类如果想要重写父类的同步方法，synchronized关键字一定要显示写出，否则无效。
修饰静态方法
synchronized static void test(){
//具体代码
}
修饰类
synchronized (Example2.class) {
//具体代码
}
Java对象 Mark Word
在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头，实例数据和对齐数据，如下图：
其中Mark Word值在不同锁状态下的展示如下：（重点看线程id，是否为偏向锁，锁标志位信息）
在64位系统中，Mark Word占了8个字节，类型指针占了8个字节，一共是16个字节。Talk is cheap. Show me the code. 咱来看代码。
- 我们想要看Java对象的Mark Word，先要加载一个jar包，在pom.xml添加即可。
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.9</version>
</dependency>
- 新建一个对象A，拥有初始值为666的变量x。
public class A {
private int x=666;
}
-
新建一个测试类test，这涉及到刚才加载的jar，我们打印Java对象。
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
public class test {
public static void main(String[] args) {
A a=new A();
System.out.println( ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}
}
- 我们发现对象头（object header）占了
12个字节，为啥和上面说的16个字节不一样。
- 其实上是默认开启了指针压缩，我们需要关闭指针压缩，也就是添加
-XX:-UseCompressedOops配置。
-
再次执行，发现对象头为16个字节。
偏向锁
什么是偏向锁
JDK1.6之前锁为重量级锁（待会说，只要知道他和内核交互，消耗资源），1.6之后Java设计人员发现很多情况下并不存在多个线程竞争的关系，所以为了资源问题引入了无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁的概念。先说偏向锁，他是偏心，偏袒的意思，这个锁会偏向于第一个获取他的线程。
偏向锁演示
- 创建并启动一个线程，run方法里面用了synchronized关键字，功能是打印this的Java对象。
public class test {
public static void main(String[] args) {
Thread thread=new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (this){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(this).toPrintable());
}
}
});
thread.start();
}
}
标红的地方为000，根据之前Mark Word在不同状态下的标志，得此为无锁状态。理论上一个线程使用synchronized关键字，应为偏向锁。
- 实际上偏向锁在JDK1.6之后是默认开启的，但是启动时间有延迟，所以需要添加参数
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0，让其在程序启动时立刻启动。
- 重新运行下代码，发现标红地方101，对比Mark Word在不同状态下的标志，得此状态为偏向锁。
偏向锁原理图解
- 在线程的run方法中，刚执行到synchronized，会判断当前对象是否为偏向锁和锁标志，没有任何线程执行该对象，我们可以看到是否为偏向锁为0，锁标志位01，即无锁状态。
- 线程会将自己的id赋值给markword，即将原来的hashcode值改为线程id，是否是偏向锁改为1，表示线程拥有对象锁，可以执行下面的业务逻辑。
如果synchronized执行完，对象还是偏向锁状态；如果线程结束之后，会撤销偏向锁，将该对象还原成无锁状态。
- 如果同一个线程中又对该对象进行加锁操作，我们只要对比
对象的线程id是否与线程id相同，如果相同即为线程锁重入问题。
优势
加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比只有纳秒级的差距。
白话翻译
线程1锁定对象this，他发现对象为无锁状态，所以将线程id赋值给对象的Mark Word字段，表示对象为线程1专用，即使他退出了同步代码，其他线程也不能使用该对象。
同学A去自习教室C，他发现教室无人，所以在门口写了个名字，表示当前教室有人在使用，这样即使他出去吃了饭，其他同学也不能使用这个房间。
轻量锁
什么是轻量级锁
在多线程交替同步代码块的情况下，线程间没有竞争，使用轻量级锁可以避免重量级锁引入的性能消耗。
轻量级图解
- 在刚才偏向锁的基础上，如果有另外一个线程也想错峰使用该资源，通过对比线程id是否相同，Java内存会立刻撤销偏向锁（需要等待全局安全点），进行锁升级的操作。
- 撤销完轻量级锁，会在线程1的方法栈中新增一个锁记录，对象的Mark Word与锁记录交换。
优势
竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。
白话翻译
在刚才偏向锁的基础上，另外一个线程也想要获取资源，所以线程1需要撤销偏向锁，升级为轻量锁。
同学A在使用自习教室外面写了自己的名字，所以同学B来也想要使用自习教室，他需要提醒同学A，不能使用重量级锁，同学A将自习教室门口的名字擦掉，换成了一个书包，里面是自己的书籍。这样在同学A不使用自习教室的时候，同学B也能使用自习教室，只需要将自己的书包也挂在外面即可。这样下次来使用的同学就能知道已经有人占用了该教室。
重量级锁
什么是重量级锁
当多线程之间发生竞争，Java内存会申请一个Monitor对象来实现。
重量级锁原理图解
在刚才的轻量级锁的基础上，线程2也想要申请资源，发现锁的标志位为00，即为轻量级锁，所以向内存申请一个Monitor,让对象的MarkWord指向Monitor地址，并将ower指针指向线程1的地址，线程2放在等待队列里面，等线程1指向完毕，释放锁资源。
Monitor源码分析
环境搭建
我们去官网http://openjdk.java.net/找下open源码，也可以通过其他途径下载。源码是C实现的，可以通过DEV C++工具打开，效果如下图：
构造函数
我们先看下\hotspot\src\share\vm\runtime\ObjectMonitor.hpp，以.hpp结尾的文件是导入的一些包和一些声明，之后可以被.cpp文件导入。
ObjectMonitor() {
_header = NULL;
_count = 0;
_waiters = 0,
_recursions = 0;//线程重入次数
_object = NULL;//存储该monitor的对象
_owner = NULL;//标识拥有该monitor的线程
_WaitSet = NULL;//处于wait状态的线程，会加入到_waitSet
_WaitSetLock = 0 ;
_Responsible = NULL ;
_succ = NULL ;
_cxq = NULL ;//多线程竞争锁时的单项列表
FreeNext = NULL ;
_EntryList = NULL ;//处于等待锁lock状态的线程，会被加入到该列表
_SpinFreq = 0 ;
_SpinClock = 0 ;
OwnerIsThread = 0 ;
_previous_owner_tid = 0;
}
锁竞争的过程
我们先看下\hotspot\src\share\vm\interpreter\interpreterRuntime.cpp，IRT_ENTRY_NO_ASYNC即为锁竞争过程。
//%note monitor_1
IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))
#ifdef ASSERT
thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
if (PrintBiasedLockingStatistics) {
Atomic::inc(BiasedLocking::slow_path_entry_count_addr());
}
Handle h_obj(thread, elem->obj());
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()),
"must be NULL or an object");
//是否使用偏向锁，可加参数进行设置 if (UseBiasedLocking) { //如果可以使用偏向锁，即进入fast_enter
// Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
} else {//如果不可以使用偏向锁，即进行slow_enter
ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);
}
assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(elem->obj()),
"must be NULL or an object");
#ifdef ASSERT
thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
IRT_END
slow_enter实际上调用的ObjectMonitor.cpp的enter 方法
void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
// The following code is ordered to check the most common cases first
// and to reduce RTS->RTO cache line upgrades on SPARC and IA32 processors.
Thread * const Self = THREAD ;
void * cur ;
//通过CAS操作尝试将monitor的_owner设置为当前线程
cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ;
//如果设置不成功，直接返回
if (cur == NULL) {
// Either ASSERT _recursions == 0 or explicitly set _recursions = 0.
assert (_recursions == 0 , "invariant") ;
assert (_owner == Self, "invariant") ;
// CONSIDER: set or assert OwnerIsThread == 1
return ;
}
//如果_owner等于当前线程，重入数_recursions加1，直接返回
if (cur == Self) {
// TODO-FIXME: check for integer overflow! BUGID 6557169.
_recursions ++ ;
return ;
}
//如果当前线程第一次进入该monitor,设置重入数_recursions为1，_owner为当前线程，返回
if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) {
assert (_recursions == 0, "internal state error");
_recursions = 1 ;
// Commute owner from a thread-specific on-stack BasicLockObject address to
// a full-fledged "Thread *".
_owner = Self ;
OwnerIsThread = 1 ;
return ;
}
//如果未抢到锁，则进行自旋优化，如果还未获取锁，则放入到list里面
// We've encountered genuine contention.
assert (Self->_Stalled == 0, "invariant") ;
Self->_Stalled = intptr_t(this) ;
// Try one round of spinning *before* enqueueing Self
// and before going through the awkward and expensive state
// transitions. The following spin is strictly optional ...
// Note that if we acquire the monitor from an initial spin
// we forgo posting JVMTI events and firing DTRACE probes.
if (Knob_SpinEarly && TrySpin (Self) > 0) {
assert (_owner == Self , "invariant") ;
assert (_recursions == 0 , "invariant") ;
assert (((oop)(object()))->mark() == markOopDesc::encode(this), "invariant") ;
Self->_Stalled = 0 ;
return ;
}
assert (_owner != Self , "invariant") ;
assert (_succ != Self , "invariant") ;
assert (Self->is_Java_thread() , "invariant") ;
JavaThread * jt = (JavaThread *) Self ;
assert (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint(), "invariant") ;
assert (jt->thread_state() != _thread_blocked , "invariant") ;
assert (this->object() != NULL , "invariant") ;
assert (_count >= 0, "invariant") ;
// Prevent deflation at STW-time. See deflate_idle_monitors() and is_busy().
// Ensure the object-monitor relationship remains stable while there's contention.
Atomic::inc_ptr(&_count);
EventJavaMonitorEnter event;
{ // Change java thread status to indicate blocked on monitor enter.
JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this);
DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__enter, this, object(), jt);
if (JvmtiExport::should_post_monitor_contended_enter()) {
JvmtiExport::post_monitor_contended_enter(jt, this);
}
OSThreadContendState osts(Self->osthread());
ThreadBlockInVM tbivm(jt);
Self->set_current_pending_monitor(this);
// TODO-FIXME: change the following for(;;) loop to straight-line code.
for (;;) {
jt->set_suspend_equivalent();
// cleared by handle_special_suspend_equivalent_condition()
// or java_suspend_self()
EnterI (THREAD) ;
if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;
//
// We have acquired the contended monitor, but while we were
// waiting another thread suspended us. We don't want to enter
// the monitor while suspended because that would surprise the
// thread that suspended us.
//
_recursions = 0 ;
_succ = NULL ;
exit (false, Self) ;
jt->java_suspend_self();
}
Self->set_current_pending_monitor(NULL);
}
Atomic::dec_ptr(&_count);
assert (_count >= 0, "invariant") ;
Self->_Stalled = 0 ;
// Must either set _recursions = 0 or ASSERT _recursions == 0.
assert (_recursions == 0 , "invariant") ;
assert (_owner == Self , "invariant") ;
assert (_succ != Self , "invariant") ;
assert (((oop)(object()))->mark() == markOopDesc::encode(this), "invariant") ;
// The thread -- now the owner -- is back in vm mode.
// Report the glorious news via TI,DTrace and jvmstat.
// The probe effect is non-trivial. All the reportage occurs
// while we hold the monitor, increasing the length of the critical
// section. Amdahl's parallel speedup law comes vividly into play.
//
// Another option might be to aggregate the events (thread local or
// per-monitor aggregation) and defer reporting until a more opportune
// time -- such as next time some thread encounters contention but has
// yet to acquire the lock. While spinning that thread could
// spinning we could increment JVMStat counters, etc.
DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__entered, this, object(), jt);
if (JvmtiExport::should_post_monitor_contended_entered()) {
JvmtiExport::post_monitor_contended_entered(jt, this);
}
if (event.should_commit()) {
event.set_klass(((oop)this->object())->klass());
event.set_previousOwner((TYPE_JAVALANGTHREAD)_previous_owner_tid);
event.set_address((TYPE_ADDRESS)(uintptr_t)(this->object_addr()));
event.commit();
}
if (ObjectMonitor::_sync_ContendedLockAttempts != NULL) {
ObjectMonitor::_sync_ContendedLockAttempts->inc() ;
}
}
白话翻译
同学A在使用自习教室的时候，同学B在同一时刻也想使用自习教室，那就发生了竞争关系。所以同学B在A运行过程中，加入等待队列。如果此时同学C也要使用该教室，也会加入等待队列。等同学A使用结束，同学B和C将竞争自习教室。
自旋优化
自旋优化比较简单，如果将其他线程加入等待队列，那之后唤醒并运行线程需要消耗资源，所以设计人员让其空转一会，看看线程能不能一会结束了，这样就不要在加入等待队列。
白话来说，如果同学A在使用自习教室，同学B可以回宿舍，等A使用结束再来，但是B回宿舍再来的过程需要1个小时，而A只要10分钟就结束了。所以B可以先不回宿舍，而是在门口等个10分钟，以防止来回时间的浪费。
结语
唉呀妈呀，终于结束了，累死了。终于将synchronized写完了，如果有不正确的地方，还需要各位指正。如果觉得写得还行，麻烦帮我点赞，评论哈。
参考资料
Java中System.out.println()为何会影响内存可见性
Thread--synchronized不能被继承?!?!!!