java并发关键字 Synchronized关键字

在多线程环境下为了保证数据安全，需要用到互斥锁保证多线程对数据操作的安全性。Synchronized关键字可以修饰方法、代码块，修饰的地方不同锁的范围也不一样。主要有两种区别：

• 修饰静态方法（锁的是类，作用范围跨对象锁）
• 修饰实例方法（锁的是对象，作用范围不跨对象）
  表现形式：

public class SynchronizedDemo {
    private static Integer count = 0;
    public Integer count2=0;
    // 类锁 只锁当前方法，其他类方法没有加上synchronized，不锁
    public static synchronized void incLockClazz() {
        count++;
    }
    //类锁
    public void incLockClazz2() {
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
            count++;
        }
    }
    //对象锁
    public synchronized void incLockObj2() {
        count2++;
    }
    //对象锁
    public void incLockObj() {
        synchronized (this) {
            count2++;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch=new CountDownLatch(1);
        SynchronizedDemo synchronizedDemo=new SynchronizedDemo();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    countDownLatch.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                incLockClazz();}).start();
            new Thread(() -> {
                try {
                    countDownLatch.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronizedDemo.incLockObj();
            }).start();

        }
        countDownLatch.countDown();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        System.out.println(SynchronizedDemo.count);
        System.out.println(synchronizedDemo.count2);
    }
}

synchronized原理

对象监视器Monitor
monitorenter->获取Objectmonitor->成功：monitor标记owner为当前线程->获取对象锁->monitorexit->唤醒同步队列争抢锁
monitorenter->获取Objectmonitor->失败->进入同步队列
当需要加锁时jvm执行指令monitorenter，监视器执行锁持有者标记，如果成功则获取对象锁，如果失败则进入同步队列，当释放锁执行monitorexit后，监视器唤醒同步队列再次执行monitorenter竞争锁。ObjectMonitor包含有等待队列用于保存执行了wait的线程、同步队列用于保存竞争失败的线程。

锁的原理

JVM中对象在内存中的结构包括（具体信息在markOop.hpp中定义）

• 对象头
  • Mark Word（标记字段）
  • Klass Pointer（类型指针）
• 实例数据
• 填充数据

Mark Word：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等等。
Klass Pointer：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。

MarkWord

结构说明

image.png

jdk1.6之后JVM对synchronized中锁进行了优化，锁的变化过程为
无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

偏向锁

对象头MarkWord信息包含
ThreadID、epoch、偏向锁标记、锁标记
当线程进入同步方法块，此时如果markword是无锁状态，则通过CAS修改markword记录自己的线程ID。当再次进入时无需再进行CAS操作加锁、解锁，只需要判断偏向锁线程ID是否与自己相同。相同则获得锁。如果不同且偏向锁标记不为0（无锁状态），则通过CAS竞争，尝试把markword线程id设成自己。这时，当程序到达全局安全点的时候（无代码执行），则判断偏向锁中指向的线程是否还存活，如果不存活，则标记为无锁状态。如果还存活则进行锁升级，升级为轻量级锁。

轻量级锁

执行代码块时JVM会创建当前线程栈空间的锁记录空间（lock record：包含displaced hdr，owner），复制markword的信息到displaces hdr，并通过CAS尝试将markword指向线程锁记录空间，如果成功则获得锁，失败则存在竞争。这时通过自旋不断尝试，因为大部分的线程在获得锁之后很快就会释放锁。然而自旋会占用CPU资源，不能无限自旋影响性能，当自旋多次还获得锁失败时，则升级为重量级锁。
锁的升级流程

锁升级过程.jpg

JVM优化

• 由于大多数情况下程序多线程都会出现竞争的情况，可以选择关闭偏向锁。jdk1.6以后默认开启偏向锁。通过参数-XX:-UseBiasedLocking，可以关闭偏向锁。
• 轻量级锁自旋次数设置。通过优化自旋次数来达到性能的优化。可以通过-XX:PreBlockSpin=10 设置自旋次数，默认10。jdk1.6前还需要先开启-XX:+UseSpinning。jdk1.6开始PreBlockSpin也去掉，由jvm控制，自适应。