synchronize(Java中synchronize底層的實現原理)

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:、

publicclassTest4{privatestaticObjectLOCK=newObject();publicstaticintmain(String[]args){synchronized(LOCK){System.out.println("HelloWorld");}return1;}}

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:

publicclassSpinLock{privateAtomicReference<Thread>cas=newAtomicReference<Thread>();publicvoidlock(){Threadcurrent=Thread.currentThread();//利用CAS,獲取值不對則無限循環while(!cas.compareAndSet(null,current)){//DOnothing}}publicvoidunlock(){Threadcurrent=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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