Java中synchronized的底层实现原理与线程安全

发布时间：2023-09-16 15:29:06
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文章标签： Java 面试
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1. synchronized 的底层实现原理

在并发编程中，我们经常使用synchronized关键字来确保多个线程对共享资源的安全访问。synchronized是Java中最基本的同步机制，本文将深入探讨synchronized的底层实现原理，帮助我们更好地理解它的工作原理。

1.1 概述

synchronized是一种悲观锁，它通过对代码块或方法加锁，来实现线程间的同步访问。当线程A进入synchronized代码块时，它会尝试获得锁，如果锁已被其他线程持有，则线程A会被阻塞，直到锁可用。当线程A释放锁后，其他阻塞的线程会被唤醒，竞争锁的所有线程中只有一个能获得锁继续执行。

1.2 synchronized 的使用方式

synchronized关键字可以用于不同的粒度，包括：

修饰方法：synchronized可用于方法声明中，表示整个方法是同步的。
修饰代码块：synchronized还可以用于代码块，对指定的对象加锁。

示例代码如下：

public class MyClass {
    
    private int count;

    // 方法级别的同步
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    // 代码块级别的同步
    public void synchronizedMethod() {
        synchronized(this) {
            // 代码块
        }
    }
}

1.3 synchronized 的底层实现

synchronized关键字的底层实现依赖于Java对象头中的Mark Word和Monitor。

1.3.1 Mark Word

Java对象头的第一部分是Mark Word，它包含了一些标记信息，如锁的状态、线程ID等。其中与synchronized相关的信息有：

锁标志位：用于表示锁的状态，包括无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
线程ID：持有锁的线程ID。
锁的指针：指向线程等待队列的指针。

1.3.2 Monitor

Monitor是一个同步对象，用于控制线程对synchronized代码块的访问。每个Java对象都有一个关联的Monitor，用于实现对对象的同步。Monitor包含了以下信息：

Owner：当前持有锁的线程。
EntryList：等待锁的线程队列。
WaitSet：等待在Monitor上的线程队列。

当一个线程进入synchronized代码块时，它必须先获取Monitor的锁。如果Monitor的锁已被其他线程持有，则线程进入EntryList中排队等待。当持有锁的线程释放锁后，Monitor会通知EntryList中的一个线程可以继续执行。

1.4 锁的升级过程

在Java 6之前，synchronized的实现是重量级锁，使用的是操作系统的互斥量（mutex）来实现线程同步。这种方式效率较低，因为涉及用户态和内核态的频繁切换。

从Java 6开始，HotSpot引入了锁的升级过程，以提高锁的性能。

1.4.1 偏向锁

偏向锁是为了解决无竞争情况下的加锁问题。当一个线程访问同步块并获得锁时，会在Mark Word中记录下当前线程ID。下次该线程再进入同步块时，无需再次竞争锁，可以直接获取。

1.4.2 轻量级锁

当多个线程竞争同一把锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁使用CAS（比较并交换）操作来实现，避免了用户态和内核态的切换。CAS会尝试原子地将Mark Word替换为指向锁记录的指针，如果成功，当前线程获得轻量级锁。

1.4.3 重量级锁

当轻量级锁竞争失败时，会升级为重量级锁。重量级锁使用操作系统的互斥量来实现线程同步，保证互斥性。

1.5 示例代码

下面是一个示例代码，演示了synchronized关键字的使用和底层实现原理：

public class SynchronizedExample {
    
    private int count;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedExample example = new SynchronizedExample();
        
        // 创建10个线程并发执行
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    example.increment();
                }
            }).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Count: " + example.count);
    }
}

运行以上代码，输出结果为：

Count: 10000

1.6 总结

通过本文我们了解了synchronized的底层实现原理。它使用Java对象头中的Mark Word和Monitor来实现线程同步。锁的升级过程包括偏向锁、轻量级锁和重量级锁，以提高锁的性能和效率。

希望本文能帮助你更好地理解synchronized的工作原理，并在多线程编程中发挥作用。

2. synchronized 底层实现原理，Java同步机制，线程安全

本文将解析Java中的synchronized关键字的底层实现原理，探究Java的同步机制以及如何保证线程安全。通过深入理解synchronized的原理，我们可以更好地编写多线程程序并确保线程安全。

2.1 概述

synchronized是Java中最基本的同步机制之一，用于保证多个线程对共享资源的安全访问。当多个线程同时访问一个共享资源时，可能会导致数据不一致或竞争条件。synchronized关键字可以用于方法或代码块，确保同一时间只有一个线程能够执行同步代码，从而保证了线程安全。

2.2 synchronized 的使用方式

synchronized关键字有以下两种使用方式：

2.2.1 修饰方法

我们可以将synchronized关键字直接放在方法声明中，表示整个方法是同步的。

public class MyClass {

    private int count;

    // 方法级别的同步
    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    // ...
}

以上代码中，increment()方法被修饰为synchronized，确保每次只有一个线程能够执行该方法。

2.2.2 修饰代码块

synchronized关键字还可以用于代码块，对指定的对象加锁。这种方式更加灵活，可以控制锁的粒度。

public class MyClass {

    private int count;
    private Object lock = new Object();

    // 代码块级别的同步
    public void synchronizedMethod() {
        synchronized (lock) {
            // 代码块
            count++;
        }
    }

    // ...
}

以上代码中，synchronized关键字用于修饰代码块，控制对lock对象的同步访问。只有获得lock对象的线程才能执行代码块，其他线程被阻塞。

2.3 synchronized 的底层实现

synchronized关键字的底层实现依赖于Java对象头中的Mark Word和Monitor。

2.3.1 Mark Word

Java对象头的第一部分是Mark Word，它包含了一些标记信息，如锁的状态、线程ID等。与synchronized相关的信息有：

锁标志位：用于表示锁的状态，包括无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。
线程ID：持有锁的线程ID。
锁的指针：指向线程等待队列的指针。

2.3.2 Monitor

Monitor是一个同步对象，用于控制线程对synchronized代码块的访问。每个Java对象都有一个关联的Monitor，用于实现对对象的同步。Monitor包含了以下信息：

Owner：当前持有锁的线程。
EntryList：等待锁的线程队列。
WaitSet：等待在Monitor上的线程队列。

当一个线程进入synchronized代码块时，它必须先获取Monitor的锁。如果Monitor的锁已被其他线程持有，则线程进入EntryList中排队等待。当持有锁的线程释放锁后，Monitor会通知EntryList中的一个线程可以继续执行。

2.4 锁的升级过程

在Java 6之前，synchronized的实现是重量级锁，使用的是操作系统的互斥量（mutex）来实现线程同步。这种方式效率较低，因为涉及用户态和内核态之间的频繁切换。

从Java 6开始，HotSpot引入了锁的升级过程，以提高锁的性能。

2.4.1 偏向锁

2.4.2 轻量级锁

当多个线程竞争同一把锁时，偏向锁会升级为轻量级锁。轻量级锁使用CAS（比较并交换）操作来实现，避免了用户态和内核态之间的切换。CAS会尝试原子地将Mark Word替换为指向锁记录的指针，如果成功，当前线程获得轻量级锁。

2.4.3 重量级锁