Java中synchronize底層的實現原理

這篇文章給大家分享的是有關Java中synchronize底層的實現原理的內容。小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，一起跟隨小編過來看看吧。

首先來說下synchronize和Lock的區別：

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

• synchronize自動釋放鎖，而Lock必須手動釋放，并且代碼中出現異常會導致unlock代碼不執行，所以Lock一般在Finally中釋放，而synchronize釋放鎖是由JVM自動執行的。

• Lock有共享鎖的概念，所以可以設置讀寫鎖提高效率，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中斷，而synchronize不會，線程會一直等待下去。lock.lockInterruptibly()方法會優先響應中斷，而不是像lock一樣優先去獲取鎖。

• 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鎖對應有源碼的，可以查看下代碼，那么synchronize在JVM層面是怎么實現的呢,我們看下字節碼文件：

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

我們寫個DEMO看下，JVM底層是怎么實現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的字節碼

也就是說，鎖是通過monitorenter和monitorexit來實現的，這兩個字節碼代表的是啥意思：

可以在下面參考的網頁中了解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監視器，調用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識符，獲取它的monitor，所以本質上是一樣的。

HotSpot中鎖的具體實現以及對它的優化：

重量級鎖：

最基礎的實現方式，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來完成的,所以需要從用戶態切換到內核態，開銷很大。并且monitor調用的是操作系統底層的互斥量(mutex),本身也有用戶態和內核態的切換，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，沒必要進行用戶態和內核態之間的切換，等的狀態就叫自旋。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
    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自旋。就是線程空循環的次數時會動態調整的。

可以看出，自旋會導致不公平鎖，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。鎖實現的核心在與對象頭(MarkWord)的結構,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，即標志位為01。那么當前線程就會在自身棧幀中建議一個區域保存對象的MarkWord信息，再使用CAS的方式讓這個區域指向對象的MarkWork區域，這樣就算加上鎖了。(這樣就沒有獲取系統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：

偏向鎖：

比輕量級鎖更絕，將同步操作全部省略…設置步驟是和前面的輕量級鎖一樣的，不同的是標志位設置的是01，即偏向模式。

不同的是同一個線程第二次進來之后，虛擬機不會再進行任何的同步操作，比如Mark Word的update。

如果有其他線程來，偏向模式就結束了，標志位會恢復到未鎖定或者偏向鎖。所以如果鎖總是會被多個線程訪問的話，還是禁止掉偏向鎖優化比較好。

鎖優化流程如下：(出自周志明老師的那本講解JVM的書)

可以看出，鎖是一個逐步升級的過程，不會一開始上來就重量級鎖。鎖一般只會升級不會降級，避免降級之后沖突導致效率不行并且又得升級。但是降級其實是允許的(STW的時候)，可以看下參考中文章里面提到的英文網站。

其他的優化還有鎖消除以及鎖粗化：

如果一段代碼其實在作用域可以不加鎖的，Javac編譯器會自動優化。

鎖粗化是指代碼在一段代碼中多次加鎖，會被JVM優化成對整個代碼段加鎖。

Java有哪些集合類

Java中的集合主要分為四類：1、List列表：有序的，可重復的；2、Queue隊列：有序，可重復的；3、Set集合：不可重復；4、Map映射：無序，鍵唯一，值不唯一。

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