在再有人問你Java內(nèi)存模型是什么，就把這篇文章發(fā)給他中我們曾經(jīng)介紹過，Java語言為了解決并發(fā)編程中存在的原子性、可見性和有序性問題，提供了一系列和并發(fā)處理相關(guān)的關(guān)鍵字，比如synchronized、volatile、final、concurren包等。

在《深入理解Java虛擬機(jī)》中，有這樣一段話：

synchronized關(guān)鍵字在需要原子性、可見性和有序性這三種特性的時(shí)候都可以作為其中一種解決方案，看起來是“***”的。的確，大部分并發(fā)控制操作都能使用synchronized來完成。

海明威在他的《午后之死》說過的：“冰山運(yùn)動(dòng)之雄偉壯觀，是因?yàn)樗挥邪朔种辉谒嫔稀?rdquo;

對于程序員來說，synchronized只是個(gè)關(guān)鍵字而已，用起來很簡單。之所以我們可以在處理多線程問題時(shí)可以不用考慮太多，就是因?yàn)檫@個(gè)關(guān)鍵字幫我們屏蔽了很多細(xì)節(jié)。

那么，本文就圍繞synchronized展開，主要介紹其用法、原理，以及如何提供原子性、可見性和有序性保障的等。

synchronized的用法

synchronized是Java提供的一個(gè)并發(fā)控制的關(guān)鍵字。主要有兩種用法，分別是同步方法和同步代碼塊。

也就是說，synchronized既可以修飾方法也可以修飾代碼塊。代碼如下：

/** 
 * @author Hollis 18/08/04. 
 */ 
public class SynchronizedDemo { 
     //同步方法 
    public synchronized void doSth(){ 
        System.out.println("Hello World"); 
    } 
 
    //同步代碼塊 
    public void doSth1(){ 
        synchronized (SynchronizedDemo.class){ 
            System.out.println("Hello World"); 
        } 
    } 
} 

被synchronized修飾的代碼塊及方法，在同一時(shí)間，只能被單個(gè)線程訪問。

synchronized的實(shí)現(xiàn)原理

synchronized，是Java中用于解決并發(fā)情況下數(shù)據(jù)同步訪問的一個(gè)很重要的關(guān)鍵字。當(dāng)我們想要保證一個(gè)共享資源在同一時(shí)間只會被一個(gè)線程訪問到時(shí)，我們可以在代碼中使用synchronized關(guān)鍵字對類或者對象加鎖。

在深入理解多線程（一）——Synchronized的實(shí)現(xiàn)原理中我曾經(jīng)介紹過其實(shí)現(xiàn)原理，為了保證知識的完整性，這里再簡單介紹一下，詳細(xì)的內(nèi)容請去原文閱讀。

我們對上面的代碼進(jìn)行反編譯，可以得到如下代碼：

public synchronized void doSth(); 
    descriptor: ()V 
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED 
    Code: 
      stack=2, locals=1, args_size=1 
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 
         3: ldc           #3                  // String Hello World 
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 
         8: return 
 
  public void doSth1(); 
    descriptor: ()V 
    flags: ACC_PUBLIC 
    Code: 
      stack=2, locals=3, args_size=1 
         0: ldc           #5                  // class com/hollis/SynchronizedTest 
         2: dup 
         3: astore_1 
         4: monitorenter 
         5: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 
         8: ldc           #3                  // String Hello World 
        10: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 
        13: aload_1 
        14: monitorexit 
        15: goto          23 
        18: astore_2 
        19: aload_1 
        20: monitorexit 
        21: aload_2 
        22: athrow 
        23: return 

通過反編譯后代碼可以看出：

對于同步方法，JVM采用ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)記符來實(shí)現(xiàn)同步。 

對于同步代碼塊。JVM采用monitorenter、monitorexit兩個(gè)指令來實(shí)現(xiàn)同步。

在The Java? Virtual Machine Specification中有關(guān)于同步方法和同步代碼塊的實(shí)現(xiàn)原理的介紹，我翻譯成中文如下：

方法級的同步是隱式的。同步方法的常量池中會有一個(gè)ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)志。當(dāng)某個(gè)線程要訪問某個(gè)方法的時(shí)候，會檢查是否有ACC_SYNCHRONIZED，如果有設(shè)置，則需要先獲得監(jiān)視器鎖，然后開始執(zhí)行方法，方法執(zhí)行之后再釋放監(jiān)視器鎖。這時(shí)如果其他線程來請求執(zhí)行方法，會因?yàn)闊o法獲得監(jiān)視器鎖而被阻斷住。值得注意的是，如果在方法執(zhí)行過程中，發(fā)生了異常，并且方法內(nèi)部并沒有處理該異常，那么在異常被拋到方法外面之前監(jiān)視器鎖會被自動(dòng)釋放。

同步代碼塊使用monitorenter和monitorexit兩個(gè)指令實(shí)現(xiàn)?？梢园褕?zhí)行monitorenter指令理解為加鎖，執(zhí)行monitorexit理解為釋放鎖。 每個(gè)對象維護(hù)著一個(gè)記錄著被鎖次數(shù)的計(jì)數(shù)器。未被鎖定的對象的該計(jì)數(shù)器為0，當(dāng)一個(gè)線程獲得鎖（執(zhí)行monitorenter）后，該計(jì)數(shù)器自增變?yōu)?1 ，當(dāng)同一個(gè)線程再次獲得該對象的鎖的時(shí)候，計(jì)數(shù)器再次自增。當(dāng)同一個(gè)線程釋放鎖（執(zhí)行monitorexit指令）的時(shí)候，計(jì)數(shù)器再自減。當(dāng)計(jì)數(shù)器為0的時(shí)候。鎖將被釋放，其他線程便可以獲得鎖。

無論是ACC_SYNCHRONIZED還是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor實(shí)現(xiàn)的，在Java虛擬機(jī)(HotSpot)中，Monitor是基于C++實(shí)現(xiàn)的，由ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)。

ObjectMonitor類中提供了幾個(gè)方法，如enter、exit、wait、notify、notifyAll等。sychronized加鎖的時(shí)候，會調(diào)用objectMonitor的enter方法，解鎖的時(shí)候會調(diào)用exit方法。（關(guān)于Monitor詳見深入理解多線程（四）—— Moniter的實(shí)現(xiàn)原理）

synchronized與原子性

原子性是指一個(gè)操作是不可中斷的，要全部執(zhí)行完成，要不就都不執(zhí)行。

我們在Java的并發(fā)編程中的多線程問題到底是怎么回事兒中分析過：

線程是CPU調(diào)度的基本單位。CPU有時(shí)間片的概念，會根據(jù)不同的調(diào)度算法進(jìn)行線程調(diào)度。當(dāng)一個(gè)線程獲得時(shí)間片之后開始執(zhí)行，在時(shí)間片耗盡之后，就會失去CPU使用權(quán)。所以在多線程場景下，由于時(shí)間片在線程間輪換，就會發(fā)生原子性問題。

在Java中，為了保證原子性，提供了兩個(gè)高級的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit。

前面介紹過，這兩個(gè)字節(jié)碼指令，在Java中對應(yīng)的關(guān)鍵字就是synchronized。

通過monitorenter和monitorexit指令，可以保證被synchronized修飾的代碼在同一時(shí)間只能被一個(gè)線程訪問，在鎖未釋放之前，無法被其他線程訪問到。

因此，在Java中可以使用synchronized來保證方法和代碼塊內(nèi)的操作是原子性的。

線程1在執(zhí)行monitorenter指令的時(shí)候，會對Monitor進(jìn)行加鎖，加鎖后其他線程無法獲得鎖，除非線程1主動(dòng)解鎖。即使在執(zhí)行過程中，由于某種原因，比如CPU時(shí)間片用完，線程1放棄了CPU，但是，他并沒有進(jìn)行解鎖。而由于synchronized的鎖是可重入的，下一個(gè)時(shí)間片還是只能被他自己獲取到，還是會繼續(xù)執(zhí)行代碼。直到所有代碼執(zhí)行完。這就保證了原子性。

synchronized與可見性

可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

我們在再有人問你Java內(nèi)存模型是什么，就把這篇文章發(fā)給他中分析過：

Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存中保存了該線程中是用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。所以，就可能出現(xiàn)線程1改了某個(gè)變量的值，但是線程2不可見的情況。

前面我們介紹過，被synchronized修飾的代碼，在開始執(zhí)行時(shí)會加鎖，執(zhí)行完成后會進(jìn)行解鎖。

而為了保證可見性，有一條規(guī)則是這樣的：對一個(gè)變量解鎖之前，必須先把此變量同步回主存中。這樣解鎖后，后續(xù)線程就可以訪問到被修改后的值。

所以，synchronized關(guān)鍵字鎖住的對象，其值是具有可見性的。

synchronized與有序性

有序性即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

我們在再有人問你Java內(nèi)存模型是什么，就把這篇文章發(fā)給他中分析過：

除了引入了時(shí)間片以外，由于處理器優(yōu)化和指令重排等，CPU還可能對輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行，比如load->add->save 有可能被優(yōu)化成load->save->add 。這就是可能存在有序性問題。

這里需要注意的是，synchronized是無法禁止指令重排和處理器優(yōu)化的。也就是說，synchronized無法避免上述提到的問題。

那么，為什么還說synchronized也提供了有序性保證呢？

這就要再把有序性的概念擴(kuò)展一下了。

Java程序中天然的有序性可以總結(jié)為一句話：如果在本線程內(nèi)觀察，所有操作都是天然有序的。如果在一個(gè)線程中觀察另一個(gè)線程，所有操作都是無序的。

以上這句話也是《深入理解Java虛擬機(jī)》中的原句，但是怎么理解呢？周志明并沒有詳細(xì)的解釋。這里我簡單擴(kuò)展一下，這其實(shí)和as-if-serial語義有關(guān)。

as-if-serial語義的意思指：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度），單線程程序的執(zhí)行結(jié)果都不能被改變。編譯器和處理器無論如何優(yōu)化，都必須遵守as-if-serial語義。

這里不對as-if-serial語義詳細(xì)展開了，簡單說就是，as-if-serial語義保證了單線程中，指令重排是有一定的限制的，而只要編譯器和處理器都遵守了這個(gè)語義，那么就可以認(rèn)為單線程程序是按照順序執(zhí)行的。當(dāng)然，實(shí)際上還是有重排的，只不過我們無須關(guān)心這種重排的干擾。

所以呢，由于synchronized修飾的代碼，同一時(shí)間只能被同一線程訪問。那么也就是單線程執(zhí)行的。所以，可以保證其有序性。

synchronized與鎖優(yōu)化

前面介紹了synchronized的用法、原理以及對并發(fā)編程的作用。是一個(gè)很好用的關(guān)鍵字。

synchronized其實(shí)是借助Monitor實(shí)現(xiàn)的，在加鎖時(shí)會調(diào)用objectMonitor的enter方法，解鎖的時(shí)候會調(diào)用exit方法。事實(shí)上，只有在JDK1.6之前，synchronized的實(shí)現(xiàn)才會直接調(diào)用ObjectMonitor的enter和exit，這種鎖被稱之為重量級鎖。

所以，在JDK1.6中出現(xiàn)對鎖進(jìn)行了很多的優(yōu)化，進(jìn)而出現(xiàn)輕量級鎖，偏向鎖，鎖消除，適應(yīng)性自旋鎖，鎖粗化(自旋鎖在1.4就有，只不過默認(rèn)的是關(guān)閉的，jdk1.6是默認(rèn)開啟的)，這些操作都是為了在線程之間更高效的共享數(shù)據(jù) ，解決競爭問題。

好啦，關(guān)于synchronized關(guān)鍵字，我們介紹了其用法、原理、以及如何保證的原子性、順序性和可見性，同時(shí)也擴(kuò)展的留下了鎖優(yōu)化相關(guān)的資料及思考。后面我們會繼續(xù)介紹volatile關(guān)鍵字以及他和synchronized的區(qū)別等。敬請期待。

【本文是51CTO專欄作者Hollis的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號Hollis(ID：hollischuang)】

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