簡介
多線程一直是面試中的重點和難點，無論你現在處於啥級別段位，對synchronized關鍵字的學習避免不了，這是我的心得體會。下面咱們以面試的思維來對synchronized做一個系統的描述，如果有面試官問你， 說說你對synchronized的理解？ 你可以從 synchronized使用層面 ， synchronized的JVM層面 ， synchronized的優化層面 3個方面做系統回答，說不定面試官會對你刮目相看哦！
synchronized使用層面
大家都知道synchronized是一把鎖， 鎖究竟是什麼呢？ 舉個例子，你可以把鎖理解爲廁所門上那把鎖的唯一鑰匙，每個人要進去只能拿着這把鑰匙可以去開這個廁所的門，這把鑰匙在一時刻只能有一個人擁有，有鑰匙的人可以反覆出入廁所，在程序中我們叫做這種重複出入廁所行爲叫鎖的可重入。它可以修飾靜態方法，實例方法和代碼塊 ，那下面我們一起來看看synchronized用於同步代碼鎖表達的意思。
- 對於普通同步方法，鎖的是對象實例。
- 對於靜態同步方法，鎖的是類的Class對象。
- 對於同步代碼塊，鎖的是括號中的對象。
先說下同步和異步的概念。
- 同步：交替執行。
- 異步：同時執行。
舉個例子比如喫飯和看電視兩件事情，先喫完飯後再去看電視，在時間維度上這兩件事是有先後順序的，叫同步。可以一邊喫飯，一邊看刷劇，在時間維度上是不分先後同時進行的，飯喫完了電視也看了，就可以去學習了，這就是異步，異步的好處是可以提高效率，這樣你就可以節省時間去學習了。
下面我們看看代碼，代碼中有做了很詳細的註釋，可以複製到本地進行測試。如果有synchronized基礎的童鞋，可以跳過鎖使用層面的講解。
/**
* @author ：jiaolian
* @date ：Created in 2020-12-17 14:48
* @description：測試靜態方法同步和普通方法同步是不同的鎖,包括synchronized修飾的靜態代碼塊用法;
* @modified By：
* 公衆號:叫練
*/
public class SyncTest {
public static void main(String[] args) {
Service service = new Service();
/**
* 啓動下面4個線程，分別測試m1-m4方法。
*/
Thread threadA = new Thread(() -> Service.m1());
Thread threadB = new Thread(() -> Service.m2());
Thread threadC = new Thread(() -> service.m3());
Thread threadD = new Thread(() -> service.m4());
threadA.start();
threadB.start();
threadC.start();
threadD.start();
}
/**
* 此案例說明了synchronized修飾的靜態方法和普通方法獲取的不是同一把鎖，因爲他們是異步的，相當於是同步執行;
*/
private static class Service {
/**
* m1方法synchronized修飾靜態方法，鎖表示鎖定的是Service.class
*/
public synchronized static void m1() {
System.out.println("m1 getlock");
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("m1 releaselock");
}
/**
* m2方法synchronized修飾靜態方法，鎖表示鎖定的是Service.class
* 當線程AB同時啓動，m1和m2方法是同步的。可以證明m1和m2是同一把鎖。
*/
public synchronized static void m2() {
System.out.println("m2 getlock");
System.out.println("m2 releaselock");
}
/**
* m3方法synchronized修飾的普通方法，鎖表示鎖定的是Service service = new Service();中的service對象；
*/
public synchronized void m3() {
System.out.println("m3 getlock");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("m3 releaselock");
}
/**
* 1.m4方法synchronized修飾的同步代碼塊，鎖表示鎖定的是當前對象實例,也就是Service service = new Service();中的service對象；和m3一樣，是同一把鎖；
* 2.當線程CD同時啓動，m3和m4方法是同步的。可以證明m3和m4是同一把鎖。
* 3.synchronized也可以修飾其他對象，比如synchronized (Service.class),此時m4,m1,m2方法是同步的，啓動線程ABD可以證明。
*/
public void m4() {
synchronized (this) {
System.out.println("m4 getlock");
System.out.println("m4 releaselock");
}
}
}
}
經過上面的測試，你可以能會有疑問， 鎖既然是存在的，那它存儲在什麼地方？ 答案：對象裏面。下面我們用代碼來證明下。
鎖在對象頭裏面，一個對象包括對象頭，實例數據和對齊填充。對象頭包括MarkWord和對象指針，對象指針是指向方法區的對象類型的，，實例對象就是屬性數據，一個對象可能有很多屬性，屬性是動態的。對齊填充是爲了補齊字節數的，如果對象大小不是8字節的整數倍，需要補齊剩餘的字節數，這是方便計算機來計算的。在64位機器裏面，一個對象的對象頭一般佔12個自己大小，在64位操作系統一般佔4個字節，所以MarkWord就是8個字節了。
MarkWord包括對象hashcode，偏向鎖標誌位，線程id和鎖的標識。爲了方便測試對象頭的內容，需要引入maven openjdk的依賴包。
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.10</version>
</dependency>
/**
* @author ：duyang
* @date ：Created in 2020-05-14 20:21
* @description：對象佔用內存
* @modified By：
*
* Fruit對象頭是12字節（markword+class）
* int 佔4個字節
*
* 32位機器可能佔8個字節;
*
* Object對象頭12 對齊填充4 一共是16
*/
public class ObjectMemory {
public static void main(String[] args) {
//System.out.print(ClassLayout.parseClass(Fruit.class).toPrintable());
System.out.print(ClassLayout.parseInstance(Fruit.class).toPrintable());
}
}
/**
*Fruit 測試類
*/
public class Fruit {
//佔一個字節大小
private boolean flag;
}
測試結果：下面畫紅線的3行分別表示對象頭，實例數據和對齊填充。對象頭是12個字節，實例數據Fruit對象的一個boolean字段flag佔1個字節大小，其餘3個字節是對齊填充的部分，一共是16個字節大小。
咦？你說的鎖呢，怎麼沒有看到呢？小夥，彆着急，待會我們講到synchronized升級優化層面的時候再來詳細分析一波。下面我們先分析下synchronized在JVM層面的意思。
最後上圖文總結：
synchronized JVM層面
/**
* @author ：jiaolian
* @date ：Created in 2020-12-20 13:43
* @description：鎖的jvm層面使用
* @modified By：
* 公衆號:叫練
*/
public class SyncJvmTest {
public static void main(String[] args) {
synchronized (SyncJvmTest.class) {
System.out.println("jvm同步測試");
}
}
}
上面的案例中，我們同步代碼塊中我們簡單輸出一句話，我們主要看看jvm中它是怎麼實現的。我們用Javap -v SyncJvmTest.class反編譯出上面的代碼，如下圖所示。
上圖第一行有一個monitorenter和第六行一個monitorexit，中間的jvm指令（2-5行）對應的Java代碼中的main方法的代碼，synchronized就是依賴於這兩個指令實現。我們來看看JVM規範中 monitorenter語義 。
- 每個對象都有一把鎖，當一個線程進入同步代碼塊，都會去獲取這個對象所持有monitor對象鎖（C++實現），如果當前線程獲取鎖，會把monitor對象進入數自增1次。
- 如果該線程重複進入，會把monitor對象進入數再次自增1次。
- 當有其他線程進入，會把其他線程放入等待隊列排隊，直到獲取鎖的線程將monitor對象的進入數設置爲0釋放鎖，其他線程纔有機會獲取鎖。
synchronized的優化層面
synchronized是一個重量級鎖，主要是因爲線程競爭鎖會引起操作系統用戶態和內核態切換，浪費資源效率不高，在jdk1.5之前，synchronized沒有做任何優化，但在jdk1.6做了性能優化，它會經歷偏向鎖，輕量級鎖，最後纔到重量級鎖這個過程，在性能方面有了很大的提升，在jdk1.7的ConcurrentHashMap是基於ReentrantLock的實現了鎖，但在jdk1.8之後又替換成了synchronized，就從這一點可以看出JVM團隊對synchronized的性能還是挺有信心的。下面我們分別來介紹下無鎖，偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖。下面我們我畫張圖來描述這幾個級別鎖的在對象頭存儲狀態。如圖所示。
- 無鎖。 如果不加synchronized關鍵字，表示無鎖，很好理解。
- 偏向鎖。
- 升級過程：當線程進入同步塊時，Markword會存儲偏向線程的id並且cas將Markword鎖狀態標識爲01，是否偏向用1表示當前處於偏向鎖（對着上圖來看），如果是偏向線程下次進入同步代碼只要比較Markword的線程id是否和當前線程id相等，如果相等不用做任何操作就可以進入同步代碼執行，如果不比較後不相等說明有其他線程競爭鎖，synchronized會升級成輕量級鎖。這個過程中在操作系統層面不用做內核態和用戶態的切換，減少切換線程帶來的資源消耗。
- 膨脹過程：當有另外線程進入，偏向鎖會升級成輕量級鎖。比如線程A是偏向鎖，這是B線程進入，就會成輕量級鎖， 只要有兩個線程就會升級成輕量級鎖 。
下面我們代碼來看下偏向鎖的鎖狀態。
package com.duyang.base.basic.markword;
import lombok.SneakyThrows;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
/**
* @author ：jiaolian
* @date ：Created in 2020-12-19 11:25
* @description：markword測試
* @modified By：
* 公衆號:叫練
*/
public class MarkWordTest {
private static Fruit fruit = new Fruit();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Task task = new Task();
Thread threadA = new Thread(task);
Thread threadB = new Thread(task);
Thread threadC = new Thread(task);
threadA.start();
//threadA.join();
//threadB.start();
//threadC.start();
}
private static class Task extends Thread {
@SneakyThrows
@Override
public void run() {
synchronized (fruit) {
System.out.println("==================="+Thread.currentThread().getId()+" ");
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.print(ClassLayout.parseInstance(fruit).toPrintable());
}
}
}
}
上面代碼啓動線程A，控制檯輸出如下圖所示，紅色標記3個bit是101分別表示，高位的1表示是偏向鎖，01是偏向鎖標識位。符合偏向鎖標識的情況。
- 輕量級鎖。
- 升級過程：在線程運行獲取鎖後，會在棧幀中創造鎖記錄並將MarkWord複製到鎖記錄，然後將MarkWord指向鎖記錄，如果當前線程持有鎖，其他線程再進入，此時其他線程會cas自旋，直到獲取鎖，輕量級鎖適合多線程交替執行，效率高（cas只消耗cpu，我在cas原理一篇文章中詳細講過。）。
- 膨脹過程：有兩種情況會膨脹成重量級鎖。1種情況是cas自旋10次還沒獲取鎖。第2種情況其他線程正在cas獲取鎖，第三個線程競爭獲取鎖，鎖也會膨脹變成重量級鎖。
下面我們代碼來測試下輕量級鎖的鎖狀態。
打開23行-24行代碼，執行線程A，B，我的目的是順序執行線程A B ，所以我在代碼中先執行threadA.join()，讓A線程先執行完畢，再執行B線程，如下圖所示MarkWord鎖狀態變化，線程A開始是偏向鎖用101表示，執行線程B就變成輕量級鎖了，鎖狀態變成了00，符合輕量級鎖鎖狀態。證明完畢。
- 重量級鎖 。重量級鎖升級後是不可逆的，也就是說重量鎖不可以再變爲輕量級鎖。
打開25行代碼，執行線程A，B，C，我的目的是先執行線程A，在代碼中先執行threadA.join()，讓A線程先執行完畢，然後再同時執行線程BC ，如下圖所示看看MarkWord鎖狀態變化，線程A開始是偏向鎖，到同時執行線程BC，因爲有激烈競爭，屬於輕量級鎖膨脹條件第2種情況，當其他線程正在cas獲取鎖，第三個線程競爭獲取鎖，鎖也會膨脹變成重量級鎖。此時BC線程鎖狀態都變成了10，這種情況符合重量級鎖鎖狀態。膨脹重量級鎖證明完畢。
到此爲止，我們已經把synchronized鎖升級過程中的鎖狀態通過代碼的形式都證明了一遍，希望對你有幫助。下圖是自己總結。
總結
多線程synchronized一直是個很重要的話題，也是面試中常見的考點。