Java synchronize底層實現(xiàn)原理及優(yōu)化

更新時間：2020年03月18日 14:32:46 作者：淡定一生2333

這篇文章主要介紹了Java synchronize底層實現(xiàn)原理及優(yōu)化,文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值,需要的朋友可以參考下

首先來說下synchronize和Lock的區(qū)別：

兩者都是鎖，用來控制并發(fā)沖突，區(qū)別在于Lock是個接口，提供的功能更加豐富，除了這個外，他們還有如下區(qū)別：

synchronize自動釋放鎖，而Lock必須手動釋放，并且代碼中出現(xiàn)異常會導(dǎo)致unlock代碼不執(zhí)行，所以Lock一般在Finally中釋放，而synchronize釋放鎖是由JVM自動執(zhí)行的。
Lock有共享鎖的概念，所以可以設(shè)置讀寫鎖提高效率，synchronize不能。（兩者都可重入）
Lock可以讓線程在獲取鎖的過程中響應(yīng)中斷，而synchronize不會，線程會一直等待下去。lock.lockInterruptibly()方法會優(yōu)先響應(yīng)中斷，而不是像lock一樣優(yōu)先去獲取鎖。
Lock鎖的是代碼塊，synchronize還能鎖方法和類。
Lock可以知道線程有沒有拿到鎖，而synchronize不能

Lock鎖對應(yīng)有源碼的，可以查看下代碼，那么synchronize在JVM層面是怎么實現(xiàn)的呢,我們看下字節(jié)碼文件：

先用javac Test.class 編譯出class文件再用javap –c Test.class查看字節(jié)碼文件

我們寫個DEMO看下，JVM底層是怎么實現(xiàn)synchronized的：、

public class Test4 {

  private static Object LOCK = new Object();
  
  public static int main(String[] args) {
    synchronized (LOCK){
      System.out.println("Hello World");
    }
    return 1;
  }
}

在看下上面代碼對應(yīng)的字節(jié)碼

也就是說，鎖是通過monitorenter和monitorexit來實現(xiàn)的，這兩個字節(jié)碼代表的是啥意思：

可以在下面參考的網(wǎng)頁中了解monitorenter和monitorexit的作用，我就不盜用他們的話了，大致意思是，每個對象都有一個monitor監(jiān)視器，調(diào)用monitorenter就是嘗試獲取這個對象，成功獲取到了就將值+1，離開就將值減1。如果是線程重入，在將值+1，說明monitor對象是支持可重入的。

我之前分析過一篇ReenternLock，概念都是類似的，只是鎖是自身維護了一個volatile int類型的變量，通過對它加一減一表示占有鎖啊重入之類的概念。

注意，如果synchronize在方法上，那就沒有上面兩個指令，取而代之的是有一個ACC_SYNCHRONIZED修飾，表示方法加鎖了。它會在常量池中增加這個一個標(biāo)識符，獲取它的monitor，所以本質(zhì)上是一樣的。

HotSpot中鎖的具體實現(xiàn)以及對它的優(yōu)化：

重量級鎖：

最基礎(chǔ)的實現(xiàn)方式，JVM會阻塞未獲取到鎖的線程，在鎖被釋放的時候喚醒這些線程。阻塞和喚醒操作是依賴操作系統(tǒng)來完成的,所以需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，開銷很大。并且monitor調(diào)用的是操作系統(tǒng)底層的互斥量(mutex),本身也有用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換，所以JVM引入了自旋的概念，減少上面說的線程切換的成本。

自旋鎖：

如果鎖被其他線程占用的時間很短，那么其他獲取鎖的線程只要稍微等一下就好了，沒必要進行用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的切換，等的狀態(tài)就叫自旋。例如如下代碼：

public class SpinLock {
  private AtomicReference<Thread> cas = new AtomicReference<Thread>();
  public void lock() {
    Thread current = Thread.currentThread();
    // 利用CAS，獲取值不對則無限循環(huán)
    while (!cas.compareAndSet(null, current)) {
      // DO nothing
    }
  }
  public void unlock() {
    Thread current = Thread.currentThread();
    cas.compareAndSet(current, null);
  }
}

自旋會跑一些無用的CPU指令，所以會浪費處理器時間，如果鎖被其他線程占用的時間段的話確實是合適的…如果長的話就不如使用直接阻塞了，那么JVM怎么知道鎖被占用的時間到底是長還是短呢？

因為JVM不知道鎖被占用的時間長短，所以使用的是自適應(yīng)自旋。就是線程空循環(huán)的次數(shù)時會動態(tài)調(diào)整的。

可以看出，自旋會導(dǎo)致不公平鎖，不一定等待時間最長的線程會最先獲取鎖。

輕量級鎖：

JDK1.6之后加入，它的目的并不是為了替換前面的重量級鎖，而是在實際沒有鎖競爭的情況下，將申請互斥量這步也省掉。鎖實現(xiàn)的核心在與對象頭(MarkWord)的結(jié)構(gòu),對象自身會有信息表示所有被鎖住并且鎖是什么類型，如下所示：

如果代碼進入同步塊時，檢測到對象未鎖定，即標(biāo)志位為01。那么當(dāng)前線程就會在自身棧幀中建議一個區(qū)域保存對象的MarkWord信息，再使用CAS的方式讓這個區(qū)域指向?qū)ο蟮腗arkWork區(qū)域，這樣就算加上鎖了。(這樣就沒有獲取系統(tǒng)mutex變量，只是改了個值，但是如果有競爭的話，就要升級成重量級鎖，這樣反倒變慢了)

加鎖前VS 加鎖后：