关于多线程:synchronized用法原理和锁优化升级过程面试

多线程始终是面试中的重点和难点，无论你当初处于啥级别段位，对 synchronized 关键字的学习防止不了，这是我的心得体会。上面咱们以面试的思维来对 synchronized 做一个零碎的形容，如果有面试官问你， 说说你对 synchronized 的了解？ 你能够从 synchronized 应用层面 ，synchronized 的 JVM 层面 ，synchronized 的优化层面 3 个方面做零碎答复，说不定面试官会对你另眼相看哦！文章会有大量的代码是不便了解的，如果你有工夫肯定要入手敲下加深了解和记忆。如果这篇文章能对您能有所帮忙是我创作路上最大快慰。

大家都晓得 synchronized 是一把锁， 锁到底是什么呢？ 举个例子，你能够把锁了解为厕所门上那把锁的惟一钥匙，每个人要进去只能拿着这把钥匙能够去开这个厕所的门，这把钥匙在一时刻只能有一个人领有，有钥匙的人能够重复出入厕所，在程序中咱们叫做这种反复出入厕所行为叫锁的可重入。它能够润饰静态方法，实例办法和代码块，那上面咱们一起来看看 synchronized 用于同步代码锁表白的意思。

对于一般同步办法，锁的是对象实例。
对于动态同步办法，锁的是类的 Class 对象。
对于同步代码块，锁的是括号中的对象。

先说下同步和异步的概念。

同步：交替执行。
异步：同时执行。

举个例子比方吃饭和看电视两件事件，先吃完饭后再去看电视，在工夫维度上这两件事是有先后顺序的，叫同步。能够一边吃饭，一边看刷剧，在工夫维度上是不分先后同时进行的，饭吃完了电视也看了，就能够去学习了，这就是异步，异步的益处是能够提高效率，这样你就能够节省时间去学习了。

上面咱们看看代码，代码中有做了很具体的正文，能够复制到本地进行测试。如果有 synchronized 根底的童鞋，能够跳过锁应用层面的解说。

/**
 * @author：jiaolian
 * @date：Created in 2020-12-17 14:48
 * @description：测试静态方法同步和一般办法同步是不同的锁, 包含 synchronized 润饰的动态代码块用法;
 * @modified By：* 公众号: 叫练
 */
public class SyncTest {public static void main(String[] args) {Service service = new Service();
        /**
         * 启动上面 4 个线程，别离测试 m1-m4 办法。*/
        Thread threadA = new Thread(() -> Service.m1());
        Thread threadB = new Thread(() -> Service.m2());
        Thread threadC = new Thread(() -> service.m3());
        Thread threadD = new Thread(() -> service.m4());
        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();
        threadD.start();}

    /**
     * 此案例阐明了 synchronized 润饰的静态方法和一般办法获取的不是同一把锁，因为他们是异步的，相当于是同步执行;
     */
    private static class Service {
        /**
         * m1 办法 synchronized 润饰静态方法，锁示意锁定的是 Service.class
         */
        public synchronized static void m1() {System.out.println("m1 getlock");
            try {Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("m1 releaselock");
        }

        /**
         * m2 办法 synchronized 润饰静态方法，锁示意锁定的是 Service.class
         * 当线程 AB 同时启动，m1 和 m2 办法是同步的。能够证实 m1 和 m2 是同一把锁。*/
        public synchronized static void m2() {System.out.println("m2 getlock");
            System.out.println("m2 releaselock");
        }

        /**
         * m3 办法 synchronized 润饰的一般办法，锁示意锁定的是 Service service = new Service(); 中的 service 对象；*/
        public synchronized void m3() {System.out.println("m3 getlock");
            try {Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("m3 releaselock");
        }

        /**
         * 1.m4 办法 synchronized 润饰的同步代码块，锁示意锁定的是以后对象实例, 也就是 Service service = new Service(); 中的 service 对象；和 m3 一样，是同一把锁；* 2. 当线程 CD 同时启动，m3 和 m4 办法是同步的。能够证实 m3 和 m4 是同一把锁。* 3.synchronized 也能够润饰其余对象，比方 synchronized (Service.class), 此时 m4,m1,m2 办法是同步的，启动线程 ABD 能够证实。*/
        public void m4() {synchronized (this) {System.out.println("m4 getlock");
                System.out.println("m4 releaselock");
            }
        }

    }
}

通过下面的测试，你能够能会有疑难， 锁既然是存在的，那它存储在什么中央？ 答案：对象外面。上面咱们用代码来证实下。

锁在对象头外面，一个对象包含对象头，实例数据和对齐填充。 对象头包含 MarkWord 和对象指针，对象指针是指向办法区的对象类型的，，实例对象就是属性数据，一个对象可能有很多属性，属性是动静的。对齐填充是为了补齐字节数的，如果对象大小不是 8 字节的整数倍，须要补齐残余的字节数，这是不便计算机来计算的。在 64 位机器外面，一个对象的对象头个别占 12 个本人大小，在 64 位操作系统个别占 4 个字节，所以 MarkWord 就是 8 个字节了。

MarkWord 包含对象 hashcode，偏差锁标记位，线程 id 和锁的标识。为了不便测试对象头的内容，须要引入 maven openjdk 的依赖包。

<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol-core</artifactId>
  <version>0.10</version>
</dependency>

/**
 * @author：duyang
 * @date：Created in 2020-05-14 20:21
 * @description：对象占用内存
 * @modified By：*
 *  Fruit 对象头是 12 字节（markword+class）*  int 占 4 个字节
 *
 *  32 位机器可能占 8 个字节;
 *
 *  Object 对象头 12 对齐填充 4 一共是 16
 */
public class ObjectMemory {public static void main(String[] args) {//System.out.print(ClassLayout.parseClass(Fruit.class).toPrintable());
        System.out.print(ClassLayout.parseInstance(Fruit.class).toPrintable());
    }
}

/**
 *Fruit 测试类
 */
public class Fruit {

    // 占一个字节大小
    private boolean flag;

}

测试后果 ：上面画红线的 3 行别离示意对象头，实例数据和对齐填充。对象头是 12 个字节，实例数据 Fruit 对象的一个 boolean 字段 flag 占 1 个字节大小，其余 3 个字节是对齐填充的局部，一共是 16 个字节大小。

咦？你说的锁呢，怎么没有看到呢？小伙，别着急，待会咱们讲到 synchronized 降级优化层面的时候再来详细分析一波。上面咱们先剖析下 synchronized 在 JVM 层面的意思。

最初上图文总结：

/**
 * @author：jiaolian
 * @date：Created in 2020-12-20 13:43
 * @description：锁的 jvm 层面应用
 * @modified By：* 公众号: 叫练
 */
public class SyncJvmTest {public static void main(String[] args) {synchronized (SyncJvmTest.class) {System.out.println("jvm 同步测试");
        }
    }
}

下面的案例中，咱们同步代码块中咱们简略输入一句话，咱们次要看看 jvm 中它是怎么实现的。咱们用 Javap -v SyncJvmTest.class 反编译出下面的代码，如下图所示。

上图第一行有一个 monitorenter 和第六行一个 monitorexit，两头的 jvm 指令（2- 5 行）对应的 Java 代码中的 main 办法的代码，synchronized 就是依赖于这两个指令实现。咱们来看看 JVM 标准中 monitorenter 语义 。

每个对象都有一把锁，当一个线程进入同步代码块，都会去获取这个对象所持有 monitor 对象锁（C++ 实现），如果以后线程获取锁，会把 monitor 对象进入数自增 1 次。
如果该线程反复进入，会把 monitor 对象进入数再次自增 1 次。
当有其余线程进入，会把其余线程放入期待队列排队，直到获取锁的线程将 monitor 对象的进入数设置为 0 开释锁，其余线程才有机会获取锁。

synchronized 是一个重量级锁，次要是因为线程竞争锁会引起操作系统用户态和内核态切换，浪费资源效率不高，在 jdk1.5 之前，synchronized 没有做任何优化，但在 jdk1.6 做了性能优化，它会经验偏差锁，轻量级锁，最初才到重量级锁这个过程，在性能方面有了很大的晋升，在 jdk1.7 的 ConcurrentHashMap 是基于 ReentrantLock 的实现了锁，但在 jdk1.8 之后又替换成了 synchronized，就从这一点能够看出 JVM 团队对 synchronized 的性能还是挺有信念的。上面咱们别离来介绍下无锁，偏差锁，轻量级锁，重量级锁。上面咱们我画张图来形容这几个级别锁的在对象头存储状态。如图所示。

无锁。 如果不加 synchronized 关键字，示意无锁，很好了解。
偏差锁。
降级过程：当线程进入同步块时，Markword 会存储偏差线程的 id 并且 cas 将 Markword 锁状态标识为 01，是否偏差用 1 示意以后处于偏差锁（对着上图来看），如果是偏差线程下次进入同步代码只有比拟 Markword 的线程 id 是否和以后线程 id 相等，如果相等不必做任何操作就能够进入同步代码执行，如果不比拟后不相等阐明有其余线程竞争锁，synchronized 会升级成轻量级锁。这个过程中在操作系统层面不必做内核态和用户态的切换，缩小切换线程带来的资源耗费。
收缩过程：当有另外线程进入，偏差锁会升级成轻量级锁。比方线程 A 是偏差锁，这是 B 线程进入，就会成轻量级锁， 只有有两个线程就会升级成轻量级锁 。

上面咱们代码来看下偏差锁的锁状态。

package com.duyang.base.basic.markword;

import lombok.SneakyThrows;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * @author：jiaolian
 * @date：Created in 2020-12-19 11:25
 * @description：markword 测试
 * @modified By：* 公众号: 叫练
 */
public class MarkWordTest {private static Fruit fruit = new Fruit();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Task task = new Task();
        Thread threadA = new Thread(task);
        Thread threadB = new Thread(task);
        Thread threadC = new Thread(task);
        threadA.start();
        //threadA.join();
        //threadB.start();
        //threadC.start();}

    private static class Task extends Thread {

        @SneakyThrows
        @Override
        public void run() {synchronized (fruit) {System.out.println("==================="+Thread.currentThread().getId()+" ");
                try {Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                }
                System.out.print(ClassLayout.parseInstance(fruit).toPrintable());
            }
        }
    }
}

下面代码启动线程 A，控制台输入如下图所示，红色标记 3 个 bit 是 101 别离示意，高位的 1 示意是偏差锁，01 是偏差锁标识位。合乎偏差锁标识的状况。

轻量级锁。
降级过程：在线程运行获取锁后，会在栈帧中发明锁记录并将 MarkWord 复制到锁记录，而后将 MarkWord 指向锁记录，如果以后线程持有锁，其余线程再进入，此时其余线程会 cas 自旋，直到获取锁，轻量级锁适宜多线程交替执行，效率高（cas 只耗费 cpu，我在 cas 原理一篇文章中具体讲过。）。
收缩过程：有两种状况会收缩成重量级锁。1 种状况是 cas 自旋 10 次还没获取锁。第 2 种状况其余线程正在 cas 获取锁，第三个线程竞争获取锁，锁也会收缩变成重量级锁。

上面咱们代码来测试下轻量级锁的锁状态。

关上 23 行 -24 行代码，执行线程 A，B，我的目标是程序执行线程 A B，所以我在代码中先执行 threadA.join()，让 A 线程先执行结束，再执行 B 线程，如下图所示 MarkWord 锁状态变动，线程 A 开始是偏差锁用 101 示意，执行线程 B 就变成轻量级锁了，锁状态变成了 00，合乎轻量级锁锁状态。证实结束。

重量级锁 。重量级锁降级后是不可逆的，也就是说分量锁不能够再变为轻量级锁。

关上 25 行代码，执行线程 A，B，C，我的目标是先执行线程 A，在代码中先执行 threadA.join()，让 A 线程先执行结束，而后再同时执行线程 BC，如下图所示看看 MarkWord 锁状态变动，线程 A 开始是偏差锁，到同时执行线程 BC，因为有强烈竞争，属于轻量级锁收缩条件第 2 种状况，当其余线程正在 cas 获取锁，第三个线程竞争获取锁，锁也会收缩变成重量级锁。此时 BC 线程锁状态都变成了 10，这种状况合乎重量级锁锁状态。收缩重量级锁证实结束。

到此为止，咱们曾经把 synchronized 锁降级过程中的锁状态通过代码的模式都证实了一遍，心愿对你有帮忙。下图是本人总结。

多线程 synchronized 始终是个很重要的话题，也是面试中常见的考点。心愿大家都能尽快了解把握，分享给你们心愿你们喜爱！

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关于多线程:synchronized用法原理和锁优化升级过程面试

简介

synchronized 应用层面

synchronized JVM 层面

synchronized 的优化层面

总结