"深度解析Java并发编程中Synchronized关键字的实现原理"

【Java并发编程】Synchronized关键字实现原理 在多线程编程中，保障线程安全是至关重要的。而Synchronized关键字是Java中实现线程安全的一种重要手段。通过Synchronized关键字，可以保证线程对共享资源的访问是有序的、可见的、原子的。本文将深入探讨Synchronized关键字的实现原理，以及其在Java并发编程中的重要性。 ## 1、Synchronized 之保障线程安全 ### 1.1、原子性 Synchronized关键字可以保证代码块在同一时刻只能被一个线程执行，从而保证了操作的原子性。这对于需要进行多步操作的情况非常重要，可以避免多个线程同时执行导致数据不一致的问题。 ### 1.2、可见性 可见性是指一个线程对共享变量的修改能够被其他线程立即看到。Synchronized关键字通过使用内存屏障和加锁机制，可以保证线程对共享变量的修改对其他线程是可见的，从而避免了数据不一致的情况。 - 1.2.1、为什么会存在可见性问题？ 在多核处理器中，每个核都会有自己的缓存。当一个线程修改了共享变量的值，在没有同步机制的情况下，其他核可能无法立即看到这个变化，导致了可见性问题的产生。 - 1.2.2、缓存一致性问题 为了解决缓存一致性问题，Java使用了总线锁、缓存锁和Happens-Before等机制来保证线程对共享变量的修改能够被其他线程看到，并保证有序性。 ### 1.3、有序性 有序性是指程序执行的顺序与代码编写的顺序保持一致。Synchronized关键字通过加锁机制，可以保证代码块执行的顺序是按照代码编写的顺序进行的，避免了指令重排序的问题。 - 1.3.1、as-if-serial 语义 Java虚拟机的as-if-serial语义保证了程序的执行结果与按照程序代码编写的顺序执行的结果是一致的，即使在多线程环境下也是如此。 ## 2、Synchronized 原理 ### 2.1、Synchronized 修饰方法 当一个方法被Synchronized修饰时，该方法在执行时会获取对象的锁，其他线程将无法同时执行这个方法。 ### 2.2、Synchronized 修饰代码块 Synchronized还可以修饰代码块，通过指定对象实例或类对象作为锁，实现对代码块的加锁保护。 ### 2.3、ObjectMonitor 源码 在Java虚拟机中，ObjectMonitor被用来实现Synchronized关键字的锁机制。它包含了一个内部锁对象和线程等待队列，用于实现线程的阻塞和唤醒。 ## 3、Synchronized 锁对象 ### 3.1、Java 对象内存布局 Java对象存储在堆内存中，包含对象头、实例数据和对其填充字段等。在对象头中包含了锁状态信息。 ### 3.2、Java 锁结构信息 Java中的锁分为偏向锁、轻量级锁和重量级锁。根据锁的状态和竞争情况，锁会逐渐升级为更重量级的锁以保证线程安全。 ## 4、Synchronized 锁升级 ### 4.1、无锁 当一个线程访问共享变量时，并且没有其他线程访问该变量，此时不需要进行加锁、同步操作，称为无锁状态。 ### 4.2、无锁升级偏向锁 当一个线程多次访问同一个对象时，对象头的Mark Word会被设置为指向当前线程，进入偏向锁状态。 ### 4.3、偏向锁流程 偏向锁主要通过CAS操作来获取锁，只有在多个线程竞争同一对象的锁时才会升级为轻量级锁。 ### 4.4、偏向锁升级轻量级锁 当一个线程无法获取偏向锁时，会升级为轻量级锁。轻量级锁使用CAS操作尝试获取锁，避免了重量级锁的开销。 ### 4.5、轻量级锁流程 轻量级锁通过自旋等待和CAS操作来避免线程的阻塞，提高了锁的性能。 ### 4.6、轻量级锁升级重量级锁 当多个线程争夺同一对象的锁时，会升级为重量级锁。重量级锁会将竞争锁的线程阻塞，避免多个线程同时访问共享资源。 ### 4.7、重量级锁流程 重量级锁主要通过操作系统的同步机制来实现，包括线程的挂起和唤醒等操作。 ## 5、Synchronized 锁消除 在编译器优化阶段，如果发现某个锁不必要，会对这个锁进行消除，从而减少不必要的锁开销。 ## 6、总结 Synchronized关键字在Java并发编程中起着至关重要的作用，通过保证线程安全、原子性、可见性和有序性，实现了多线程环境下的协同操作。通过深入理解Synchronized关键字的实现原理，可以更好地优化程序性能，避免死锁和并发问题的发生。在实际开发中，合理使用Synchronized关键字，能够有效提高程序的并发性能，确保系统的稳定性和可靠性。