java程序员编程面试必备:synchronized、锁、多线程同步的原理学习

Java是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性,广泛应用于PC、数据中心、游戏控制台、科学超级计算机、移动电话和互联网,同时拥有全球最大的开发者专业社群。

给你学习路线:html-css-js-jq-javase-数据库-jsp-servlet-Struts2-hibernate-mybatis-spring4-springmvc-ssh-ssm

先综述个结论:

一般说的synchronized用来做多线程同步功能,其实synchronized只是提供多线程互斥,而对象的wait()和notify()方法才提供线程的同步功能。

一般说synchronized是加锁,或者说是加对象锁,其实对象锁只是synchronized在实现锁机制中的一种锁(重量锁,用这种方式互斥线程开销大所以叫重量锁,或者叫对象monitor),而synchronized的锁机制会根据线程竞争情况在运行会有偏向锁、轻量锁、对象锁,自旋锁(或自适应自旋锁)等,总之,synchronized可以认为是一个几种锁过程的封装。

原理

通常说的synchronized在方法或块上加锁,这里的锁就是对象锁(当然也可以在类上面),或者叫重量锁,在JVM中又叫对象监视器(Monitor),就是对象来监视线程的互斥。

先来回顾一下对象在堆里的逻辑结构:

小编推荐一个学Java的学习裙【 六五零,五五四,六零七 】,无论你是大牛还是小白,是想转行还是想入行都可以来了解一起进步一起学习!裙内有开发工具,很多干货和技术资料分享!

对象在内存中的结构看这里》》

对象头里的结构大致如此:

其中Tag的2bit用来显示锁类型。通常我们说synchronized的对象锁,就是这里Tag=10时的monitor对象,这里的Monitor address就是这个monitor对象(就是重量锁)的地址。

当多个线程同时请求synchronized方法或块时,monitor会设置几个虚拟逻辑数据结构来管理这些多线程。下图是简化了的管理结构。

新请求的线程会首先被加入到线程排队队列中,线程阻塞,当某个拥有锁的线程unlock之后,则排队队列里的线程竞争上岗(synchronized是不公平竞争锁,下面还会讲到)。如果运行的线程调用对象的wait()后就释放锁并进入wait线程集合那边,当调用对象的notify()或notifyall()后,wait线程就到排队那边。这是大致的逻辑。

同时再看看线程的状态图

Blocked就是阻塞状态。

wait()和sleep()最大的不同在于wait()会释放对象锁,而sleep()不会!wait、sleep、yield区别如下:

小编推荐一个学Java的学习裙【 六五零,五五四,六零七 】,无论你是大牛还是小白,是想转行还是想入行都可以来了解一起进步一起学习!裙内有开发工具,很多干货和技术资料分享!

似乎讲到这里,synchronized锁和wait()、notify()来实现多线程同步就完成了。

但是,自旋锁或自适应自旋锁:

因为线程阻塞后进入排队队列和唤醒都需要CPU从用户态转为核心态,尤其频繁的阻塞和唤醒对CPU来说是负荷很重的工作。同时统计发现,很多对象锁的锁定状态只会持续很短的一段时间,例如一个线程切换周期,这样的话在很短的时间内阻塞线程又很快唤醒线程显然不值得,所以引入了自旋锁概念。

所谓“自旋”,就monitor并不把线程阻塞放入排队队列,而是去执行一个无意义的循环,循环结束后看看是否锁已释放并直接进行竞争上岗步骤,如果竞争不到继续自旋循环,循环过程中线程的状态一直处于running状态。明显自旋锁使得synchronized的对象锁方式在线程之间引入了不公平。但是这样可以保证大吞吐率和执行效率。

不过虽然自旋锁方式省去了阻塞线程的时间和空间(队列的维护等)开销,但是长时间自旋也是很低效的。所以自旋的次数一般控制在一个范围内,例如10,50等,在超出这个范围后,线程就进入排队队列。

自适应自旋锁,就是自旋的次数是通过JVM在运行时收集的统计信息,动态调整自旋锁的自旋次数上界。

讲到这里似乎synchronized锁的过程更加丰满了。

不过synchronized在运行过程中不是一下子就到对象锁这个级别的,它根据线程竞争情况会经过几次升级变化。这里就出现了另外几种锁。

轻量锁和偏向锁

当多线程环境进入synchronized区域的线程没竞争时,JVM并不会马上创建对象锁,而是用轻量锁或偏向锁。

不过需要明确的是,轻量锁和偏向锁,都不能代替重量锁,只不过是在没有多线程竞争时,没必要用重量锁而无畏的消耗资源。但是一旦出现了多线程竞争时,synchronized区域的轻量锁或偏向锁都会立即升级为重量锁。

轻量锁或偏向锁使用的条件是进入synchronized区域时没有其他任何其他线程在使用。

这时线程t访问对象的synchronized区域时,对象头的标志位Tag状态为01,以及还有1位的偏向信息用于记录这个对象是否可用偏向锁。然后t在对象上申请轻量锁时,若偏向信息为0,表明当前对象还未加锁,或加过偏向锁(加过,注意是加过偏向锁的对象只能被同样的线程加锁,如果不同的线程想要获取锁,需要先将偏向锁升级为轻量锁,稍后会讲到),在判断对当前对象确实没有被任何其他线程锁住后,即可以在该对象上加轻量锁。

加轻量锁的过程很简单:在当前线程的栈帧(stack frame)中生成一个锁记录(lock record),这个锁记录比前面说的那个对象锁(管理线程队列的monitor)简单多了,它只是对象头的一个拷贝。然后把对象头里的tag改成00,并把这个栈帧里的lock record地址放入对象头里。若操作成功,那就完成了轻量锁操作。如果不成功,说明有线程在竞争,则需要在当前对象上生成重量锁来进行多线程同步,然后将Tag状态改为10,并生成Monitor对象(重量锁对象),对象头里也会放入Monitor对象的地址。最后将当前线程t排队队列中。

轻量锁的解锁过程也很简单就是把栈帧里刚才的那个lock record拷贝到对象头里,若替换成功,则解锁完成,若替换不成功,表示在当前线程持有锁的这段时间内,其他线程也竞争过锁,并且发生了锁升级为重量锁,这时需要去Monitor的等待队列中唤醒一个线程去重新竞争锁。

偏向锁是比轻量锁还轻量的锁机制。当synchronized区域长期都由同一个线程加锁、解锁时,jvm就用偏向锁来做,它的加锁解锁比轻量锁操作起来指令更加简化。不过一旦有其他线程使用synchronized区域,即使没有线程间竞争,也会把偏向锁升级为轻量锁,当然如果发生线程竞争就再升级为对象锁。

小编推荐一个学Java的学习裙【 六五零,五五四,六零七 】,无论你是大牛还是小白,是想转行还是想入行都可以来了解一起进步一起学习!裙内有开发工具,很多干货和技术资料分享!

锁的公平与不公平:公平锁是指线程获得锁的顺序按照fifo的原则,先排队的先得。非公平锁指每个线程都先要竞争锁,不管排队先后,所以后到的线程有可能无需进入等待队列直接竞争到锁。非公平锁虽然可能导致某些线程饥饿,但是锁的吞吐率是公平锁好几倍,synchronized是一个典型的非公平锁方案,而且没法做成公平锁。

©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 151,511评论 1 330
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 64,495评论 1 273
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 101,595评论 0 225
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 42,558评论 0 190
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 50,715评论 3 270
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 39,672评论 1 192
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 31,112评论 2 291
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 29,837评论 0 181
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 33,417评论 0 228
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 29,928评论 2 232
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 31,316评论 1 242
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 27,773评论 2 234
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 32,253评论 3 220
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 25,827评论 0 8
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 26,440评论 0 180
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 34,523评论 2 249
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 34,583评论 2 249

推荐阅读更多精彩内容