再有人問你synchronized是什么，就把這篇文章發(fā)給他。
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》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：“冰山運動之雄偉壯觀，是因為他只有八分之一在水面上。”
對于程序員來說，synchronized只是個關(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可以不用考慮太多，就是因為這個關(guān)鍵字幫我們屏蔽了很多細節(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，在同一時間，只能被單個線程訪問。
synchronized的實現(xiàn)原理
synchronized，是Java中用于解決并發(fā)情況下數(shù)據(jù)同步訪問的一個很重要的關(guān)鍵字。當我們想要保證一個共享資源在同一時間只會被一個線程訪問到時，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的實現(xiàn)原理中我曾經(jīng)介紹過其實現(xiàn)原理，為了保證知識的完整性，這里再簡單介紹一下，詳細的內(nèi)容請去原文閱讀。
我們對上面的代碼進行反編譯，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標記符來實現(xiàn)同步。
對于同步代碼塊。JVM采用monitorenter、monitorexit兩個指令來實現(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ACC_SYNCHRONIZED標志。當某個線程要訪問某個方法的時候，會檢查是否有ACC_SYNCHRONIZED，如果有設置，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。這時如果其他線程來請求執(zhí)行方法，會因為無法獲得監(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)視器鎖會被自動釋放。
同步代碼塊使用monitorenter和monitorexit兩個指令實現(xiàn)?？梢园褕?zhí)行monitorenter指令理解為加鎖，執(zhí)行monitorexit理解為釋放鎖。 每個對象維護著一個記錄著被鎖次數(shù)的計數(shù)器。未被鎖定的對象的該計數(shù)器為0，當一個線程獲得鎖（執(zhí)行monitorenter）后，該計數(shù)器自增變?yōu)?1 ，當同一個線程再次獲得該對象的鎖的時候，計數(shù)器再次自增。當同一個線程釋放鎖（執(zhí)行monitorexit指令）的時候，計數(shù)器再自減。當計數(shù)器為0的時候。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實現(xiàn)的，在Java虛擬機(HotSpot)中，Monitor是基于C++實現(xiàn)的，由ObjectMonitor實現(xiàn)。
ObjectMonitor類中提供了幾個方法，如enter、exit、wait、notify、notifyAll等。sychronized加鎖的時候，會調(diào)用objectMonitor的enter方法，解鎖的時候會調(diào)用exit方法。（關(guān)于Monitor詳見深入理解多線程（四）—— Moniter的實現(xiàn)原理）
synchronized與原子性
原子性是指一個操作是不可中斷的，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有時間片的概念，會根據(jù)不同的調(diào)度算法進行線程調(diào)度。當一個線程獲得時間片之后開始執(zhí)行，在時間片耗盡之后，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，提供了兩個高級的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit。
前面介紹過，這兩個字節(jié)碼指令，在Java中對應的關(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間只能被一個線程訪問，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指令的時候，會對Monitor進行加鎖，加鎖后其他線程無法獲得鎖，除非線程1主動解鎖。即使在執(zhí)行過程中，由于某種原因，比如CPU時間片用完，線程1放棄了CPU，但是，他并沒有進行解鎖。而由于synchronized的鎖是可重入的，下一個時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
可見性是指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，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)存和主存之間進行數(shù)據(jù)同步進行。所以，就可能出現(xiàn)線程1改了某個變量的值，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)行時會加鎖，執(zhí)行完成后會進行解鎖。
而為了保證可見性，有一條規(guī)則是這樣的：對一個變量解鎖之前，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。如果在一個線程中觀察另一個線程，所有操作都是無序的。
以上這句話也是《深入理解Java虛擬機》中的原句，但是怎么理解呢？周志明并沒有詳細的解釋。這里我簡單擴展一下，這其實和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語義，那么就可以認為單線程程序是按照順序執(zhí)行的。當然，實際上還是有重排的，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。是一個很好用的關(guān)鍵字。
synchronized其實是借助Monitor實現(xiàn)的，在加鎖時會調(diào)用objectMonitor的enter方法，解鎖的時候會調(diào)用exit方法。事實上，只有在JDK1.6之前，synchronized的實現(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)對鎖進行了很多的優(yōu)化，進而出現(xiàn)輕量級鎖，偏向鎖，鎖消除，適應性自旋鎖，鎖粗化(自旋鎖在1.4就有，只不過默認的是關(guān)閉的，jdk1.6是默認開啟的)，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，同時也擴展的留下了鎖優(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)】
