synchronized详解

synchronized关键字

• 防止线程干扰和内存一致性错误，如果一个对象对多个线程是可见的，那么对该对象的所有读/写都可以通过同步的方式来进行
• Synchronized关键字提供了锁机制，能够去保证共享资源的互斥访问，解决数据不一致的问题

synchronized理解

Java中对象头

• Java对象保存于内存中，由三部分组成：对象头，实例数据，填充字节
• Java对象头由三部分组成：Mark Word、指向类的指针、数组长度（数组对象才有）
• Mark Word：记录了对象和锁相关的信息，任意一个对象都可以被synchronzied关键字当作同步锁，围绕锁相关的操作都是与Mark Word相关
• 指向类的指针：Java对象的类数据
• 数组长度：数组对象的长度

monitor

• 一种同步机制/一个对象
• 所有的Java对象天生可以作为monitor
• 每一个对象自实例化之后都带有一把锁，这个锁称之为monitor锁/同步锁
• monitor是线程私有的

monitor的结构：

• Owner : 初始为NUll，如果有线程获取到monitor锁，Owner会保存线程唯一标识
• EntryQ：阻塞所有试图获得monitor锁失败的线程
• RcThis：blocked/Waiting在monitor上的所有线程个数
• Nest：重入锁的个数
• HashCode：保存对象的Hashcode
• Candidate:用来避免不必要的阻塞或者额等待线程唤醒

synchronized用法

同步方法的底层原理

ACC_SYNCHRONIZED标示符
JVM根据以上标示符去判断该方法是否是同步方法，如果是，执行的线程会先获取monitor lock，获取成功之后会去执行方法体，在方法体执行完之后释放monitor。方法执行期间，其他任何线程都没有办法去获得当前的monitor对象，只能阻塞

public class TestDemo5 {
    public synchronized void test2(){
        for(int i=5;i>=1; i--){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() +": "+i);
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        TestDemo5 test = new TestDemo5();
        new Thread("Thread B"){
            @Override
            public void run() {
                test.test2();
            }
        }.start();
    }
}

同步代码块的底层原理

每一个对象都与一个monitor相关联，一个monitor lock只能被一个线程在同一时间锁获得
1）如果monitor计数器为0，表示当前monitor lock未被获得，该线程获得之后就会对该计数器 +1 -》 monitorenter
2) 如果monitor已经被线程锁拥有，则其他线程尝试获取mointor lock,会被陷入阻塞状态，直到moitor计数器变为0，才能够再次去获得monitor lock -》 monitorexit

public class TestDemo5 {
    public void test1(){
        synchronized (this){
            for(int i=5; i>=1; i--){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +": "+i);
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
        public static void main(String[] args) {
            TestDemo5 test = new TestDemo5();
        new Thread("Thread A"){
            @Override
            public void run() {
                test.test1();
            }
        }.start();
        }
        }

单例模式

class Singleton{
    private volatile static Singleton single;
    private Singleton(){

    }
    public static Singleton getInstance(){
        if(single == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(single == null){
                    single = new Singleton();
                    System.out.println("single has been initialized by "+Thread.currentThread().getName());
                }else{
                    System.out.println("single has not been initialized by "+Thread.currentThread().getName());
                }
            }
        }
        return single;
    }
}
public class TestDemo5 {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                Singleton.getInstance();
            }
        }.start();
        }
        }

synchronized锁升级分析

偏向锁

CAS指令：（Compare And Swap）cpu层面的原子性操作指令，该指令存在三个参数，第一参数是目标地址， 第二参数是值1，第三参数值2，指令会比较目标存储的值跟值1是否一致，如果一致目标地址会更新为新值，即值2。如果一个线程获得了锁，那么锁就会进入偏向模式，锁标识位为01，是否为偏向锁为1，当这次线程再次请求锁的时候，不需要做同步操作，直接省略锁的获取阶段，提高系统的性能。这种场合下可能不存在锁竞争
锁竞争比较激烈的时候，偏向锁获取失败升级为轻量级锁

轻量级锁

轻量级锁所适应的线程交替执行同步快的场合
在代码进入同步代码快的时候，如果发现对象锁是无锁状态，在当前线程的栈帧中创建一个lock Record的空间，存储对象Mark Word的拷贝，JVM使用CAS操作将对象Mark Word更新为指向Lock Record的引用，如果成功，该线程拥有了这样的对象锁，对象Mark Word的锁标志位设置为00，表明该对象处于轻量级锁的状态；如果失败，锁竞争更加激烈，轻量级锁会升级为重量级锁

• 补充：轻量级锁抢锁失败，JVM会使用自旋锁，不断尝试获取锁，jdk1.7默认启用

重量级锁

重量级锁使用会有操作系统的互斥量（MUTEX）和条件变量（Condition variable）与其关联，在获取锁的过程修改操作系统层面的两个变量

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