synchronized的實現原理以及鎖優化方法是什么

本文小編為大家詳細介紹“synchronized的實現原理以及鎖優化方法是什么”，內容詳細，步驟清晰，細節處理妥當，希望這篇“synchronized的實現原理以及鎖優化方法是什么”文章能幫助大家解決疑惑，下面跟著小編的思路慢慢深入，一起來學習新知識吧。

1. synchronized的實現原理以及鎖優化？

synchronized的實現原理

• synchronized作用于「方法」或者「代碼塊」，保證被修飾的代碼在同一時間只能被一個線程訪問。

• synchronized修飾代碼塊時，JVM采用「monitorenter、monitorexit」兩個指令來實現同步

• synchronized修飾同步方法時，JVM采用「ACC_SYNCHRONIZED」標記符來實現同步

• monitorenter、monitorexit或者ACC_SYNCHRONIZED都是「基于Monitor實現」的

• 實例對象里有對象頭，對象頭里面有Mark Word，Mark Word指針指向了「monitor」

• Monitor其實是一種「同步工具」，也可以說是一種「同步機制」。

• 在Java虛擬機（HotSpot）中，Monitor是由「ObjectMonitor實現」的。ObjectMonitor體現出Monitor的工作原理~

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 記錄線程獲取鎖的次數
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;  //鎖的重入次數
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  // 指向持有ObjectMonitor對象的線程
    _WaitSet      = NULL;  // 處于wait狀態的線程，會被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ;  // 處于等待鎖block狀態的線程，會被加入到該列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }
復制代碼

ObjectMonitor的幾個關鍵屬性 count、recursions、owner、WaitSet、 _EntryList 體現了monitor的工作原理

鎖優化

在討論鎖優化前，先看看JAVA對象頭(32位JVM)中Mark Word的結構圖吧~

Mark Word存儲對象自身的運行數據，如「哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態標志、偏向時間戳（Epoch）」 等，為什么區分「偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖」等幾種鎖狀態呢？

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在JDK1.6之前，synchronized的實現直接調用ObjectMonitor的enter和exit，這種鎖被稱之為「重量級鎖」。從JDK6開始，HotSpot虛擬機開發團隊對Java中的鎖進行優化，如增加了適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等優化策略。

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• 偏向鎖：在無競爭的情況下，把整個同步都消除掉，CAS操作都不做。

• 輕量級鎖：在沒有多線程競爭時，相對重量級鎖，減少操作系統互斥量帶來的性能消耗。但是，如果存在鎖競爭，除了互斥量本身開銷，還額外有CAS操作的開銷。

• 自旋鎖：減少不必要的CPU上下文切換。在輕量級鎖升級為重量級鎖時，就使用了自旋加鎖的方式

• 鎖粗化：將多個連續的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴展成一個范圍更大的鎖。

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舉個例子，買門票進動物園。老師帶一群小朋友去參觀，驗票員如果知道他們是個集體，就可以把他們看成一個整體（鎖租化），一次性驗票過，而不需要一個個找他們驗票。

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• 鎖消除:虛擬機即時編譯器在運行時，對一些代碼上要求同步，但是被檢測到不可能存在共享數據競爭的鎖進行消除。

有興趣的朋友們可以看看我這篇文章： Synchronized解析——如果你愿意一層一層剝開我的心[1]

2. ThreadLocal原理，使用注意點，應用場景有哪些？

回答四個主要點：

• ThreadLocal是什么?

• ThreadLocal原理

• ThreadLocal使用注意點

• ThreadLocal的應用場景

ThreadLocal是什么?

ThreadLocal，即線程本地變量。如果你創建了一個ThreadLocal變量，那么訪問這個變量的每個線程都會有這個變量的一個本地拷貝，多個線程操作這個變量的時候，實際是操作自己本地內存里面的變量，從而起到線程隔離的作用，避免了線程安全問題。

//創建一個ThreadLocal變量
static ThreadLocal<String> localVariable = new ThreadLocal<>();
復制代碼

ThreadLocal原理

ThreadLocal內存結構圖：

由結構圖是可以看出：

• Thread對象中持有一個ThreadLocal.ThreadLocalMap的成員變量。

• ThreadLocalMap內部維護了Entry數組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。

對照這幾段關鍵源碼來看，更容易理解一點哈~

public class Thread implements Runnable {
   //ThreadLocal.ThreadLocalMap是Thread的屬性
   ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}
復制代碼

ThreadLocal中的關鍵方法set()和get()

   public void set(T value) {
        Thread t = Thread.currentThread(); //獲取當前線程t
        ThreadLocalMap map = getMap(t);  //根據當前線程獲取到ThreadLocalMap
        if (map != null)
            map.set(this, value); //K，V設置到ThreadLocalMap中
        else
            createMap(t, value); //創建一個新的ThreadLocalMap
    }

    public T get() {
        Thread t = Thread.currentThread();//獲取當前線程t
        ThreadLocalMap map = getMap(t);//根據當前線程獲取到ThreadLocalMap
        if (map != null) {
            //由this（即ThreadLoca對象）得到對應的Value，即ThreadLocal的泛型值
            ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
            if (e != null) {
                @SuppressWarnings("unchecked")
                T result = (T)e.value; 
                return result;
            }
        }
        return setInitialValue();
    }
復制代碼

ThreadLocalMap的Entry數組

static class ThreadLocalMap {
    static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
        /** The value associated with this ThreadLocal. */
        Object value;

        Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
            super(k);
            value = v;
        }
    }
}
復制代碼

所以怎么回答「ThreadLocal的實現原理」？如下，最好是能結合以上結構圖一起說明哈~

? Thread類有一個類型為ThreadLocal.ThreadLocalMap的實例變量threadLocals，即每個線程都有一個屬于自己的ThreadLocalMap。ThreadLocalMap內部維護著Entry數組，每個Entry代表一個完整的對象，key是ThreadLocal本身，value是ThreadLocal的泛型值。每個線程在往ThreadLocal里設置值的時候，都是往自己的ThreadLocalMap里存，讀也是以某個ThreadLocal作為引用，在自己的map里找對應的key，從而實現了線程隔離。 ?

ThreadLocal 內存泄露問題

先看看一下的TreadLocal的引用示意圖哈，

ThreadLocalMap中使用的 key 為 ThreadLocal 的弱引用，如下

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弱引用：只要垃圾回收機制一運行，不管JVM的內存空間是否充足，都會回收該對象占用的內存。

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弱引用比較容易被回收。因此，如果ThreadLocal（ThreadLocalMap的Key）被垃圾回收器回收了，但是因為ThreadLocalMap生命周期和Thread是一樣的，它這時候如果不被回收，就會出現這種情況：ThreadLocalMap的key沒了，value還在，這就會「造成了內存泄漏問題」。

如何「解決內存泄漏問題」？使用完ThreadLocal后，及時調用remove()方法釋放內存空間。

ThreadLocal的應用場景

• 數據庫連接池

• 會話管理中使用

3. synchronized和ReentrantLock的區別？

我記得校招的時候，這道面試題出現的頻率還是挺高的~可以從鎖的實現、功能特點、性能等幾個維度去回答這個問題，

• 「鎖的實現：」 synchronized是Java語言的關鍵字，基于JVM實現。而ReentrantLock是基于JDK的API層面實現的（一般是lock()和unlock()方法配合try/finally 語句塊來完成。）

• 「性能：」 在JDK1.6鎖優化以前，synchronized的性能比ReenTrantLock差很多。但是JDK6開始，增加了適應性自旋、鎖消除等，兩者性能就差不多了。

• 「功能特點：」 ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高級功能，如等待可中斷、可實現公平鎖、可實現選擇性通知。

? ReentrantLock提供了一種能夠中斷等待鎖的線程的機制，通過lock.lockInterruptibly()來實現這個機制。ReentrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖。而synchronized只能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的線程先獲得鎖。synchronized與wait()和notify()/notifyAll()方法結合實現等待/通知機制，ReentrantLock類借助Condition接口與newCondition()方法實現。ReentrantLock需要手工聲明來加鎖和釋放鎖，一般跟finally配合釋放鎖。而synchronized不用手動釋放鎖。 ?

4. 說說CountDownLatch與CyclicBarrier區別

• CountDownLatch：一個或者多個線程，等待其他多個線程完成某件事情之后才能執行;

• CyclicBarrier：多個線程互相等待，直到到達同一個同步點，再繼續一起執行。

舉個例子吧：

? CountDownLatch：假設老師跟同學約定周末在公園門口集合，等人齊了再發門票。那么，發門票（這個主線程），需要等各位同學都到齊（多個其他線程都完成），才能執行。CyclicBarrier:多名短跑運動員要開始田徑比賽，只有等所有運動員準備好，裁判才會鳴槍開始，這時候所有的運動員才會疾步如飛。 ?

5. Fork/Join框架的理解

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Fork/Join框架是Java7提供的一個用于并行執行任務的框架，是一個把大任務分割成若干個小任務，最終匯總每個小任務結果后得到大任務結果的框架。

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Fork/Join框架需要理解兩個點，「分而治之」和「工作竊取算法」。

「分而治之」

以上Fork/Join框架的定義，就是分而治之思想的體現啦

「工作竊取算法」

把大任務拆分成小任務，放到不同隊列執行，交由不同的線程分別執行時。有的線程優先把自己負責的任務執行完了，其他線程還在慢慢悠悠處理自己的任務，這時候為了充分提高效率，就需要工作盜竊算法啦~

工作盜竊算法就是，「某個線程從其他隊列中竊取任務進行執行的過程」。一般就是指做得快的線程（盜竊線程）搶慢的線程的任務來做，同時為了減少鎖競爭，通常使用雙端隊列，即快線程和慢線程各在一端。

6. 為什么我們調用start()方法時會執行run()方法，為什么我們不能直接調用run()方法？

看看Thread的start方法說明哈~

   /**
     * Causes this thread to begin execution; the Java Virtual Machine
     * calls the <code>run</code> method of this thread.
     * <p>
     * The result is that two threads are running concurrently: the
     * current thread (which returns from the call to the
     * <code>start</code> method) and the other thread (which executes its
     * <code>run</code> method).
     * <p>
     * It is never legal to start a thread more than once.
     * In particular, a thread may not be restarted once it has completed
     * execution.
     *
     * @exception  IllegalThreadStateException  if the thread was already
     *               started.
     * @see        #run()
     * @see        #stop()
     */
    public synchronized void start() {
     ......
    }
復制代碼

JVM執行start方法，會另起一條線程執行thread的run方法，這才起到多線程的效果~ 「為什么我們不能直接調用run()方法？」 如果直接調用Thread的run()方法，其方法還是運行在主線程中，沒有起到多線程效果。

7. CAS？CAS 有什么缺陷，如何解決？

CAS,Compare and Swap，比較并交換；

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CAS 涉及3個操作數，內存地址值V，預期原值A，新值B； 如果內存位置的值V與預期原A值相匹配，就更新為新值B，否則不更新

?

CAS有什么缺陷？

「ABA 問題」

?

并發環境下，假設初始條件是A，去修改數據時，發現是A就會執行修改。但是看到的雖然是A，中間可能發生了A變B，B又變回A的情況。此時A已經非彼A，數據即使成功修改，也可能有問題。

?

可以通過AtomicStampedReference「解決ABA問題」，它，一個帶有標記的原子引用類，通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性。

「循環時間長開銷」

?

自旋CAS，如果一直循環執行，一直不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。

?

很多時候，CAS思想體現，是有個自旋次數的，就是為了避開這個耗時問題~

「只能保證一個變量的原子操作。」

?

CAS 保證的是對一個變量執行操作的原子性，如果對多個變量操作時，CAS 目前無法直接保證操作的原子性的。

?

可以通過這兩個方式解決這個問題：

? 使用互斥鎖來保證原子性；將多個變量封裝成對象，通過AtomicReference來保證原子性。 ?

有興趣的朋友可以看看我之前的這篇實戰文章哈~ CAS樂觀鎖解決并發問題的一次實踐[2]

8. 如何保證多線程下i++ 結果正確？

• 使用循環CAS，實現i++原子操作

• 使用鎖機制，實現i++原子操作

• 使用synchronized，實現i++原子操作

沒有代碼demo，感覺是沒有靈魂的~ 如下：

/**
 *  @Author 撿田螺的小男孩
 */
public class AtomicIntegerTest {

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        testIAdd();
    }

    private static void testIAdd() throws InterruptedException {
        //創建線程池
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(2);
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 2; j++) {
                    //自增并返回當前值
                    int andIncrement = atomicInteger.incrementAndGet();
                    System.out.println("線程:">運行結果：...
線程:pool-1-thread-1 count=1997
線程:pool-1-thread-1 count=1998
線程:pool-1-thread-1 count=1999
線程:pool-1-thread-2 count=315
線程:pool-1-thread-2 count=2000
最終結果是 ：2000

讀到這里，這篇“synchronized的實現原理以及鎖優化方法是什么”文章已經介紹完畢，想要掌握這篇文章的知識點還需要大家自己動手實踐使用過才能領會，如果想了解更多相關內容的文章，歡迎關注億速云行業資訊頻道。