并发系列之synchronized解析

冷不防 2022-11-16 02:47 270阅读 0赞

### 并发系列之synchronized解析 ###

*   *  1、synchronized简介
     *  2、synchronized实现原理
     *   *  2.1、对象锁（monitor）机制
         *  2.2、synchronized的happens-before关系
         *  2.3、锁获取和锁释放的内存语义
     *  3、synchronized优化
     *   *  4、一个例子
     *  4、往期佳文
     *   *  4.1、面试系列
         *  4.2、技术系列
         *  4.3、源码系列
         *  4.4、数据结构和算法系列
         *  4.5、多线程系列

## 1、synchronized简介 ##

我们先来看一个现象：

public class WtyicySynchronized  implements Runnable{ 
    
        private static int count = 0;
    
        @Override
        public void run() { 
            for (int i = 0; i < 10000; i++) { 
                count++;
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            for (int i = 0; i < 2; i++) { 
                Thread thread = new Thread(new WtyicySynchronized());
                thread.start();
            }
            try { 
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("result: " + count);
        }
    }

输出结果：

result: 16825

开启了2哥线程，每个线程都累加了10000次，如果结果正确的话自然而然总数应该是2\*10000 = 20000.可就运行多次结果都不是这个数，而且每次运行结果都不一样。怎么解决这个问题呢？请看末尾。。。。

## 2、synchronized实现原理 ##

在java代码中使用synchronized可是使用在代码块和方法中，根据Synchronized用的位置可以有这些使用场景：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
       如图，synchronized可以用在方法上也可以使用在代码块中，其中方法是实例方法和静态方法分别锁的是该类的实例对象和该类的对象。而使用在代码块中也可以分为三种，具体的可以看上面的表格。这里的需要注意的是：如果锁的是类对象的话，尽管new多个实例对象，但他们仍然是属于同一个类依然会被锁住，即线程之间保证同步关系。

### 2.1、对象锁（monitor）机制 ###

public class WtyicySynchronizedDemo { 
        public static void main(String[] args) { 
            synchronized (WtyicySynchronizedDemo.class) { 
            }
            method();
        }
    
        private static void method() { 
        }
    }

用javap -v WtyicySynchronizedDemo查看字节码文件：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
       执行同步代码块后首先要先执行monitorenter指令，退出的时候monitorexit指令。通过分析之后可以看出，使用Synchronized进行同步，其关键就是必须要对对象的监视器monitor进行获取，当线程获取monitor后才能继续往下执行，否则就只能等待。而这个获取的过程是互斥的，即同一时刻只有一个线程能够获取到monitor。上面的demo中在执行完同步代码块之后紧接着再会去执行一个静态同步方法，而这个方法锁的对象依然就这个类对象，那么这个正在执行的线程还需要获取该锁吗？答案是不必的，从上图中就可以看出来，执行静态同步方法的时候就只有一条monitorexit指令，并没有monitorenter获取锁的指令，是因为需要保证如果同步代码块执行抛出了异常，则也需要释放锁对象。每个对象拥有一个计数器，当线程获取该对象锁后，计数器就会加一，释放锁后就会将计数器减一。  
       任意一个对象都拥有自己的监视器，当这个对象由同步块或者这个对象的同步方法调用时，执行方法的线程必须先获取该对象的监视器才能进入同步块和同步方法，如果没有获取到监视器的线程将会被阻塞在同步块和同步方法的入口处，进入到BLOCKED状态。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
       该图可以看出，任意线程对Object的访问，首先要获得Object的监视器，如果获取失败，该线程就进入同步状态，线程状态变为BLOCKED，当Object的监视器占有者释放后，在同步队列中得线程就会有机会重新获取该监视器。

### 2.2、synchronized的happens-before关系 ###

public class MonitorDemo { 
        private int a = 0;
    
        public synchronized void writer() {      // 1
            a++;                                // 2
        }                                       // 3
    
        public synchronized void reader() {     // 4
            int i = a;                         // 5
        }                                      // 6
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
       每一个箭头连接的两个节点就代表之间的happens-before关系，黑色的是通过程序顺序规则推导出来，红色的为监视器锁规则推导而出：线程A释放锁happens-before线程B加锁，蓝色的则是通过程序顺序规则和监视器锁规则推测出来happens-befor关系，通过传递性规则进一步推导的happens-before关系。  
       根据happens-before的定义中的一条:如果A happens-before B，则A的执行结果对B可见，并且A的执行顺序先于B。线程A先对共享变量A进行加一，由2 happens-before 5关系可知线程A的执行结果对线程B可见即线程B所读取到的a的值为1。

### 2.3、锁获取和锁释放的内存语义 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
       从上图可以看出，线程A会首先先从主内存中读取共享变量a=0的值然后将该变量拷贝到自己的本地内存，进行加一操作后，再将该值刷新到主内存，整个过程即为线程A 加锁–>执行临界区代码–>释放锁相对应的内存语义。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
       线程B获取锁的时候同样会从主内存中共享变量a的值，这个时候就是最新的值1,然后将该值拷贝到线程B的工作内存中去，释放锁的时候同样会重写到主内存中。  
       从整体上来看，线程A的执行结果（a=1）对线程B是可见的，实现原理为：释放锁的时候会将值刷新到主内存中，其他线程获取锁时会强制从主内存中获取最新的值。另外也验证了2 happens-before 5，2的执行结果对5是可见的。  
       从横向来看，这就像线程A通过主内存中的共享变量和线程B进行通信，A 告诉 B 我们俩的共享数据现在为1啦，这种线程间的通信机制正好吻合java的内存模型正好是共享内存的并发模型结构。

## 3、synchronized优化 ##

它最大的特征就是在同一时刻只有一个线程能够获得对象的监视器（monitor），从而进入到同步代码块或者同步方法之中，即表现为互斥性（排它性）。打个比方，去收银台付款，之前的方式是，大家都去排队，然后去纸币付款收银员找零，有的时候付款的时候在包里拿出钱包再去拿出钱，这个过程是比较耗时的，然后，支付宝解放了大家去钱包找钱的过程，现在只需要扫描下就可以完成付款了，也省去了收银员跟你找零的时间的了。同样是需要排队，但整个付款的时间大大缩短，是不是整体的效率变高速率变快了？这种优化方式同样可以引申到锁优化上，缩短获取锁的时间  
偏向锁 --> 轻量级锁 --> 自旋锁 --> 重量级锁  
make word中记录 线程Id --> 锁竞争 --> 反复获取锁 --> monitor  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

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### 4、一个例子 ###

public class WtyicySynchronized  implements Runnable{ 
    
        private static int count = 0;
    
        @Override
        public void run() { 
        	synchronized(WtyicySynchronized.class) { 
    	    	for (int i = 0; i < 10000; i++) { 
    	            count++;
    	        }
        	}
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            for (int i = 0; i < 2; i++) { 
                Thread thread = new Thread(new WtyicySynchronized());
                thread.start();
            }
            try { 
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("result: " + count);
        }
    }

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## 4、往期佳文 ##

### 4.1、面试系列 ###

1、[吊打面试官之一面自我介绍][Link 1]  
2、[吊打面试官之一面项目介绍][Link 2]  
3、[吊打面试官之一面系统架构设计][Link 3]  
4、[吊打面试官之一面你负责哪一块][Link 4]  
5、[吊打面试官之一面试官提问][Link 5]  
6、[吊打面试官之一面你有什么问题吗][Link 6]

······持续更新中······

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### 4.2、技术系列 ###

1、[吊打面试官之分布式会话][Link 7]  
2、[吊打面试官之分布式锁][Link 8]  
3、[吊打面试官之乐观锁][Link 9]  
4、[吊打面试官之幂等性问题][Link 10]  
5、[吊打面试关之分布式事务][Link 11]  
6、[吊打面试官之项目线上问题排查][Link 12]

······持续更新中······

### 4.3、源码系列 ###

1、[源码分析之SpringBoot启动流程原理][SpringBoot]  
2、[源码分析之SpringBoot自动装配原理][SpringBoot 1]  
3、[源码分析之ArrayList容器][ArrayList]  
4、[源码分析之LinkedList容器][LinkedList]  
5、[码分析之HashMap容器][HashMap]

### 4.4、数据结构和算法系列 ###

1、[数据结构之八大数据结构][Link 13]  
2、[数据结构之动态查找树（二叉查找树，平衡二叉树，红黑树）][Link 14]

······持续更新中······

### 4.5、多线程系列 ###

1、[并发系列之初识多线程][Link 15]  
2、[并发系列之JMM内存模型][JMM]

······持续更新中······

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3d0eWljeQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/dc7fe6dcebd04943b7f62bc7b9b804fa.png
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[Link 1]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114933478
[Link 2]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114983053
[Link 3]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115005012
[Link 4]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115064661
[Link 5]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115296365
[Link 6]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115402511
[Link 7]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114685293
[Link 8]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114915987
[Link 9]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114915177
[Link 10]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/114888754
[Link 11]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115081790
[Link 12]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115292969
[SpringBoot]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115181539
[SpringBoot 1]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115233701
[ArrayList]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115244565
[LinkedList]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115314536
[HashMap]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115365586
[Link 13]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115342236
[Link 14]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115353145
[Link 15]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115386707
[JMM]: https://blog.csdn.net/wtyicy/article/details/115455467