Java中的synchronized關鍵字是用來實現執行緒同步的

一、synchronized實作鎖定的表現形式

1. 修飾實例方法，對於普通同步方法，鎖定是目前的實例物件

2. 修飾靜態方法，對於靜態同步方法，鎖是目前的Class物件

3. 修飾方法程式碼區塊，對於同步方法區塊，鎖定是synchronized括號裡面配置的物件！

當一個執行緒試圖存取同步程式碼區塊的時候，就必須得到鎖，完成後(或出現異常)，就必須釋放鎖。那麼鎖究竟存在什麼地方呢？我們一塊來探究！

不過，相信，既然大家能夠找到這篇文章，相信大家對他的使用早已了熟於心，我們對於使用，以及為什麼多線程情況下，數據會出現錯亂情況，不做詳細的解釋！只把他的幾種使用方式列出，供參考！

①修飾實例方法

修飾實例方法，對於普通同步方法，鎖是目前的實例物件

這個沒得說，使用的同一個實例，加入上synchronized後，執行緒需要排隊，完成一個原子操作，但是注意前提是使用的同一個實例，他才會生效！

正例：

<code>/**<br> * @author huangfu<br> */<br>public class ExploringSynchronized implements Runnable {<br>    /**<br>     * 共享资源(临界资源)<br>     */<br>    static int i=0;<br>    public synchronized void add(){<br>        i++;<br>    }<br><br>    @Override<br>    public void run() {<br>        for (int j = 0; j             add();<br>        }<br>    }<br><br>    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {<br>        ExploringSynchronized exploringSynchronized = new ExploringSynchronized();<br>        Thread t1 = new Thread(exploringSynchronized);<br>        Thread t2 = new Thread(exploringSynchronized);<br>        t1.start();<br>        t2.start();<br>        //join 主线程需要等待子线程完成后在结束<br>        t1.join();<br>        t2.join();<br>        System.out.println(i);<br><br>    }<br>}</code>

反例：

<code>/**<br> * @author huangfu<br> */<br>public class ExploringSynchronized implements Runnable {<br>    /**<br>     * 共享资源(临界资源)<br>     */<br>    static int i=0;<br>    public synchronized void add(){<br>        i++;<br>    }<br><br>    @Override<br>    public void run() {<br>        for (int j = 0; j             add();<br>        }<br>    }<br><br>    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {<br>        Thread t1 = new Thread(new ExploringSynchronized());<br>        Thread t2 = new Thread(new ExploringSynchronized());<br>        t1.start();<br>        t2.start();<br>        //join 主线程需要等待子线程完成后在结束<br>        t1.join();<br>        t2.join();<br>        System.out.println(i);<br><br>    }<br>}</code>

這種，即使你在方法上加上了synchronized也無濟於事，因為，對於普通同步方法，鎖是當前的實例物件！實例物件都不一樣了，那麼他們之間的鎖自然就不是同一個！

②修飾靜態方法

修飾靜態方法，對於靜態同步方法，鎖定是目前的Class物件

從定義上可以看出來，他的鎖是類別對象，那麼也就是說，以上面那個類別為例：普通方法的鎖定對象就是new ExploringSynchronized()而靜態方法對應的鎖定對象就是ExploringSynchronized.class所以對於靜態方法添加同步鎖，即使你重新建立一個實例，它拿到的鎖還是同一個！

<code>package com.byit.test;<br><br>/**<br> * @author huangfu<br> */<br>public class ExploringSynchronized implements Runnable {<br>    /**<br>     * 共享资源(临界资源)<br>     */<br>    static int i=0;<br>    public synchronized static void add(){<br>        i++;<br>    }<br><br>    @Override<br>    public void run() {<br>        for (int j = 0; j             add();<br>        }<br>    }<br><br>    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {<br>        Thread t1 = new Thread(new ExploringSynchronized());<br>        Thread t2 = new Thread(new ExploringSynchronized());<br>        t1.start();<br>        t2.start();<br>        //join 主线程需要等待子线程完成后在结束<br>        t1.join();<br>        t2.join();<br>        System.out.println(i);<br><br>    }<br>}</code>

當然，結果是我們期待的 200000

③修飾方法程式碼區塊

修飾方法程式碼區塊，對於同步方法區塊，鎖定是synchronized括號裡面配置的物件！

<code>package com.byit.test;<br><br>/**<br> * @author huangfu<br> */<br>public class ExploringSynchronized implements Runnable {<br>    /**<br>     * 锁标记<br>     */<br>    private static final String LOCK_MARK = "LOCK_MARK";<br>    /**<br>     * 共享资源(临界资源)<br>     */<br>    static int i=0;<br>    public void add(){<br>        synchronized (LOCK_MARK){<br>            i++;<br>        }<br>    }<br><br>    @Override<br>    public void run() {<br>        for (int j = 0; j             add();<br>        }<br>    }<br><br>    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {<br>        Thread t1 = new Thread(new ExploringSynchronized());<br>        Thread t2 = new Thread(new ExploringSynchronized());<br>        t1.start();<br>        t2.start();<br>        //join 主线程需要等待子线程完成后在结束<br>        t1.join();<br>        t2.join();<br>        System.out.println(i);<br><br>    }<br>}</code>

對於同步程式碼區塊，括號裡面是什麼，鎖定物件就是什麼，裡面可以使用this  字串  物件等等！

二、synchronized的底層實作

java中synchronized的實作是基於進入和退出的Monitor物件實現的，無論是明確同步（修飾程式碼區塊，有明確的monitorenter和monitorexit指令）還是隱式同步(修飾方法體)！

要注意的是，只有修飾程式碼區塊的時候，才是基於monitorenter和monitorexit指令來實現的；修飾方法的時候，是透過另一個種方式實現的！我會放到後面說！

在了解整個實作底層之前，我還是希望你能夠大致了解一下物件在記憶體中的結構詳情！

• 實例變數：存放類別的屬性資料訊息，包括父類別的屬性訊息，如果是陣列的實例部分還包括陣列的長度，這部分記憶體按4位元組對齊。

• 填充資料：由於虛擬機器要求物件起始位址必須是8位元組的整數倍。填充資料不是必須存在的，僅僅是為了位元組對齊，這點了解即可。

這兩個概念，我們簡單理解就好！我們今天不去探究對象的構成原理！我們著重探究一下對象頭，他對我們理解鎖尤為重要！

一般而言，synchronized所使用的鎖存在於物件頭裡面！如果是數組對象，則虛擬機器使用3個字寬存儲對象，如果是非數組對象，則使用兩個字寬存儲對象頭！字虛擬機裡面1字寬等於4位元組！主要結構是Mark Word 和Class Metadata Address組成,結構如下：

虛擬機位數	頭物件結構	說明
#32/64bit	Mark Word	存儲物件的hashCode、鎖定資訊或分代年齡或GC標誌等資訊
#32/64bit	Class Metadata Address	儲存到隊形類型資料的指標
32/64bit(陣列)	Aarray length	陣列的長度

#

透過上述表格能夠看出  鎖定資訊 存在於 Mark Word  內，那麼 Mark Word 內又是如何組成的呢？

鎖定狀態	25bit	#4bit	1bit是否是偏向鎖定	2bit鎖定標誌位元
無鎖定狀態	物件的hashcode	物件的分代年齡	0	01

#

在运行起见，mark Word 里存储的数据会随着锁的标志位的变化而变化。mark Word可能变化为存储一下四种数据

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的消耗，引入了偏向锁和轻量级锁，从之前上来就是重量级锁到1.6之后，锁膨胀升级的优化，极大地提高了synchronized的效率；

锁一共有4中状态，级别从低到高：

这几个状态会随着锁的竞争，逐渐升级。锁可以升级，但是不能降级，其根本的原因就是为了提高获取锁和释放锁的效率！

那么，synchronized是又如何保证的线程安全的呢？或许我们需要从字节码寻找答案！

<code>package com.byit.test;<br><br>/**<br> * @author Administrator<br> */<br>public class SynText {<br>    private static String A = "a";<br>    public int i ;<br><br>    public void add(){<br>        synchronized (A){<br>            i++;<br>        }<br><br>    }<br>}</code>

反编译的字节码

<code>Compiled from "SynText.java"<br>public class com.byit.test.SynText {<br>  public int i;<br><br>  public com.byit.test.SynText();<br>    Code:<br>       0: aload_0<br>       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V<br>       4: return<br><br>  public void add();<br>    Code:<br>       0: getstatic     #2                  // Field A:Ljava/lang/String;<br>       3: dup<br>       4: astore_1<br>       5: monitorenter<br>       6: aload_0<br>       7: dup<br>       8: getfield      #3                  // Field i:I<br>      11: iconst_1<br>      12: iadd<br>      13: putfield      #3                  // Field i:I<br>      16: aload_1<br>      17: monitorexit<br>      18: goto          26<br>      21: astore_2<br>      22: aload_1<br>      23: monitorexit<br>      24: aload_2<br>      25: athrow<br>      26: return<br>    Exception table:<br>       from    to  target type<br>           6    18    21   any<br>          21    24    21   any<br><br>  static {};<br>    Code:<br>       0: ldc           #4                  // String a<br>       2: putstatic     #2                  // Field A:Ljava/lang/String;<br>       5: return<br>}<br></init></code>

省去不必要的，简化在简化

<code>   5: monitorenter<br>      ...<br>      17: monitorexit<br>      ...<br>      23: monitorexit</code>

从字节码中可知同步语句块的实现使用的是monitorenter和 monitorexit指令，其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置,当执行monitorenter指令的时候，线程将试图获取对象所所对应的monitor特权，当monitor的的计数器为0的时候，线程就可以获取monitor,并将计数器设置为1.去锁成功！如果当前线程已经拥有monitor特权，则可以直接进入方法（可重入锁），计数器+1；如果其他线程已经拥有了monitor特权，那么本县城将会阻塞！

拥有monitor特权的线程执行完成后释放monitor，并将计数器设置为0；同时执行monitorexit指令；不要担心出现异常无法执行monitorexit指令；为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令，它就是异常结束时被执行的释放monitor 的指令。

同步代码块的原理了解了，那么同步方法如何解释？不急，我们不妨来反编译一下同步方法的状态！

javap -verbose -p SynText > 3.txt

代码

<code>package com.byit.test;<br><br>/**<br> * @author huangfu<br> */<br>public class SynText {<br>    public int i ;<br><br>    public synchronized void add(){<br>        i++;<br><br>    }<br>}</code>

字节码

<code>Classfile /D:/2020project/byit-myth-job/demo-client/byit-demo-client/target/classes/com/byit/test/SynText.class<br>  Last modified 2020-1-6; size 382 bytes<br>  MD5 checksum e06926a20f28772b8377a940b0a4984f<br>  Compiled from "SynText.java"<br>public class com.byit.test.SynText<br>  minor version: 0<br>  major version: 52<br>  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER<br>Constant pool:<br>   #1 = Methodref          #4.#17         // java/lang/Object."<init>":()V<br>   #2 = Fieldref           #3.#18         // com/byit/test/SynText.i:I<br>   #3 = Class              #19            // com/byit/test/SynText<br>   #4 = Class              #20            // java/lang/Object<br>   #5 = Utf8               i<br>   #6 = Utf8               I<br>   #7 = Utf8               <init><br>   #8 = Utf8               ()V<br>   #9 = Utf8               Code<br>  #10 = Utf8               LineNumberTable<br>  #11 = Utf8               LocalVariableTable<br>  #12 = Utf8               this<br>  #13 = Utf8               Lcom/byit/test/SynText;<br>  #14 = Utf8               syncTask<br>  #15 = Utf8               SourceFile<br>  #16 = Utf8               SynText.java<br>  #17 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V<br>  #18 = NameAndType        #5:#6          // i:I<br>  #19 = Utf8               com/byit/test/SynText<br>  #20 = Utf8               java/lang/Object<br>{<br>  public int i;<br>    descriptor: I<br>    flags: ACC_PUBLIC<br><br>  public com.byit.test.SynText();<br>    descriptor: ()V<br>    flags: ACC_PUBLIC<br>    Code:<br>      stack=1, locals=1, args_size=1<br>         0: aload_0<br>         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V<br>         4: return<br>      LineNumberTable:<br>        line 6: 0<br>      LocalVariableTable:<br>        Start  Length  Slot  Name   Signature<br>            0       5     0  this   Lcom/byit/test/SynText;<br><br>  public synchronized void syncTask();<br>    descriptor: ()V<br>    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED<br>    Code:<br>      stack=3, locals=1, args_size=1<br>         0: aload_0<br>         1: dup<br>         2: getfield      #2                  // Field i:I<br>         5: iconst_1<br>         6: iadd<br>         7: putfield      #2                  // Field i:I<br>        10: return<br>      LineNumberTable:<br>        line 10: 0<br>        line 11: 10<br>      LocalVariableTable:<br>        Start  Length  Slot  Name   Signature<br>            0      11     0  this   Lcom/byit/test/SynText;<br>}<br>SourceFile: "SynText.java"<br></init></init></init></init></code>

简化，在简化

<code> public synchronized void syncTask();<br>    descriptor: ()V<br>    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED<br>    Code:<br>      stack=3, locals=1, args_size=1<br>         0: aload_0<br>         1: dup</code>

我们能够看到 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED这样的一句话

从字节码中可以看出，synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。这便是synchronized锁在同步代码块和同步方法上实现的基本原理。

那么在JAVA6之前，为什么synchronized会如此的慢？

那是因为，操作系统实现线程之间的切换需要系统内核从用户态切换到核心态!这个状态之间的转换，需要较长的时间，时间成本高！所以这也就是synchronized慢的原因！

三、锁膨胀的过程

在这之前，你需要知道什么是锁膨胀！他是JAVA6之后新增的一个概念！是一种针对之前重量级锁的一种性能的优化！他的优化，大部分是基于经验上的一些感官，对锁来进行优化！

①偏向锁

研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且还总是由一条线程获得！因为为了减少锁申请的次数！引进了偏向锁！在没有锁竞争的情况下，如果一个线程获取到了锁，那么锁就进入偏向锁的模式！当线程再一次请求锁时，无需申请，直接获取锁，进入方法！但是前提是没有锁竞争的情况，存在锁竞争，锁会立即膨胀，膨胀为轻量级锁！

②轻量级锁

偏向锁失败，那么锁膨胀为轻量级锁！此时锁机构变为轻量级锁结构！他的经验依据是：“绝大多数情况下，在整个同步周期内，不会存在锁的竞争”，故而，轻量级锁适合，线程交替进行的场景！如果在同一时间出现两条线程对同一把锁的竞争，那么此时轻量级锁就不会生效了！但是，jdk官方为了是锁的优化性能更好，轻量级锁失效后，并不会立即膨胀为重量级锁！而是将锁转换为自旋锁状态！

③自旋锁

轻量级锁失败后，为了是避免线程挂起，引起内核态的切换！为了优化，此时线程会进入自选状态！他可能会进行几十次，上百次的空轮训！为什么呢？又是经验之谈！他们认为，大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长！做几次空轮训，就能大概率的等待到锁！事实证明，这种优化方式确实有效！最后如果实在等不到锁！没办法，才会彻底升级为重量级锁！

④锁消除

jvm在进行代码编译时，会基于上下文扫描；将一些不可能存在资源竞争的的锁给消除掉！这也是JVM对于锁的一种优化方式！不得不感叹，jdk官方的脑子！举个例子！在方法体类的局部变量对象，他永远也不可能会发生锁竞争，例如：

<code>/**<br> * @author huangfu<br> */<br>public class SynText {<br>    public static void add(String name1 ,String name2){<br>        StringBuffer sb = new StringBuffer();<br>        sb.append(name1).append(name2);<br>    }<br><br>    public static void main(String[] args) {<br>        for (int i = 0; i             add("w"+i,"q"+i);<br>        }<br>    }<br>}</code>

不能否认，StringBuffer是线程安全的！但是他永远也不会被其他线程引用！故而，锁失效！故而，被消除掉！

以上是Java中的synchronized關鍵字是用來實現執行緒同步的的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！