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再有人問你synchronized是什么,就把這篇文章發(fā)給他。

開發(fā) 開發(fā)工具
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:

  1. /** 
  2.  * @author Hollis 18/08/04. 
  3.  */ 
  4. public class SynchronizedDemo { 
  5.      //同步方法 
  6.     public synchronized void doSth(){ 
  7.         System.out.println("Hello World"); 
  8.     } 
  9.  
  10.     //同步代碼塊 
  11.     public void doSth1(){ 
  12.         synchronized (SynchronizedDemo.class){ 
  13.             System.out.println("Hello World"); 
  14.         } 
  15.     } 

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:

  1. public synchronized void doSth(); 
  2.     descriptor: ()V 
  3.     flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED 
  4.     Code: 
  5.       stack=2, locals=1, args_size=1 
  6.          0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 
  7.          3: ldc           #3                  // String Hello World 
  8.          5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 
  9.          8: return 
  10.  
  11.   public void doSth1(); 
  12.     descriptor: ()V 
  13.     flags: ACC_PUBLIC 
  14.     Code: 
  15.       stack=2, locals=3, args_size=1 
  16.          0: ldc           #5                  // class com/hollis/SynchronizedTest 
  17.          2: dup 
  18.          3: astore_1 
  19.          4: monitorenter 
  20.          5: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 
  21.          8: ldc           #3                  // String Hello World 
  22.         10: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 
  23.         13: aload_1 
  24.         14: monitorexit 
  25.         15: goto          23 
  26.         18: astore_2 
  27.         19: aload_1 
  28.         20: monitorexit 
  29.         21: aload_2 
  30.         22: athrow 
  31.         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)】

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責任編輯:武曉燕 來源: 51CTO專欄
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