深入理解synchronzied底层原理("深入剖析synchronized底层机制：原理详解与实践应用")

一、引言

在Java并发编程中，synchronized关键字是保证线程稳固的重要手段之一。本文将深入剖析synchronized的底层原理，包括其实现机制、工作原理以及怎样正确使用synchronized来避免并发编程中的问题。

二、synchronized的基本概念

synchronized是Java中的一个关键字，用于实现线程间的同步。它可以修饰方法或者代码块，被修饰的方法或代码块在同一时刻只允许一个线程执行。synchronized提供了两种同步做法：同步方法（synchronized method）和同步代码块（synchronized block）。

三、synchronized的底层实现

synchronized的底层实现核心依存于Java虚拟机（JVM）的指令集和对象监视器（Monitor）机制。下面分别介绍这两种机制。

3.1 Java虚拟机指令集

在Java虚拟机中，synchronized的实现依存于两条指令：monitorenter和monitorexit。这两条指令分别用于获取和释放对象监视器。

public class SynchronizedDemo {
    public synchronized void synchronizedMethod() {
        // 方法体
    }
}

在上述代码中，synchronizedMethod()方法将被编译成以下字节码：

public synchronized void synchronizedMethod();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: astore_1
       3: monitorenter
       4: aload_1
       5: monitorexit
       6: aload_1
       7: monitorexit
       8: return

可以看到，synchronizedMethod()方法中包含了monitorenter和monitorexit指令。当线程执行到monitorenter指令时，会尝试获取对象监视器；当执行到monitorexit指令时，会释放对象监视器。

3.2 对象监视器（Monitor）

对象监视器（Monitor）是一种同步机制，每个Java对象都可以作为Monitor。Monitor中有两个队列：等待队列和拥有者队列。当线程尝试获取Monitor时，如果Monitor已经被其他线程持有，则该线程会被放入等待队列。当持有Monitor的线程执行完毕并释放Monitor时，等待队列中的线程会尝试获取Monitor，获取圆满后进入拥有者队列。

四、synchronized的工作原理

下面以一个单纯的例子来解释synchronized的工作原理。

public class SynchronizedDemo {
    public synchronized void synchronizedMethod() {
        // 方法体
    }
}

假设有两个线程A和B，线程A尝试执行synchronizedMethod()方法，线程B也尝试执行该方法。

1. 线程A执行到monitorenter指令，尝试获取对象监视器。如果对象监视器没有被其他线程持有，线程A将获取对象监视器并进入拥有者队列。
2. 线程B执行到monitorenter指令，由于对象监视器已经被线程A持有，线程B将被放入等待队列。
3. 线程A执行完毕，释放对象监视器。此时，线程B将从等待队列中移除，并尝试获取对象监视器。如果获取圆满，线程B将进入拥有者队列。
4. 线程B执行完毕，释放对象监视器。此时，如果有其他线程尝试获取对象监视器，将重复上述过程。

五、synchronized的优化

在Java 6之前，synchronized是基于Monitor的重量级锁。在Java 6之后，synchronized进行了优化，引入了轻量级锁和偏向锁。

5.1 轻量级锁

轻量级锁是在没有竞争的情况下，通过CAS操作和自旋来减少锁的开销。当线程尝试获取锁时，如果锁没有被其他线程持有，则使用CAS操作将锁的状态从无锁状态转变为锁定状态，并标记当前线程为锁的拥有者。如果锁已经被其他线程持有，则进行自旋等待，等待锁释放。

5.2 偏向锁

偏向锁是在锁没有竞争的情况下，偏向于让第一个获取锁的线程持有锁。当线程尝试获取锁时，如果锁没有被其他线程持有，则将锁标记为偏向模式，并将当前线程的ID记录在锁对象中。当其他线程尝试获取锁时，如果锁是偏向模式且记录的线程ID与当前线程的ID相同，则直接获取锁；否则，将锁标记为轻量级锁，并按照轻量级锁的规则处理。

六、synchronized的使用场景

synchronized关键字适用于以下场景：

1. 当多个线程需要访问同一资源时，为了保证资源的一致性和线程稳固，可以使用synchronized关键字。
2. 当多个线程需要按照一定的顺序执行时，可以使用synchronized关键字来实现同步。
3. 当需要保护某个方法或代码块时，可以使用synchronized关键字来防止多个线程同时执行。

七、synchronized的注意事项

使用synchronized关键字时，需要注意以下几点：

1. 避免死锁：synchronized块中尽量避免调用其他synchronized方法，以减少死锁的大概性。
2. 避免空转：synchronized块中应有明确的退出条件，避免因条件不满足使线程空转。
3. 避免大锁：尽量减小synchronized块的范围，避免锁定不必要的资源。
4. 避免滥用：synchronized虽然能保证线程稳固，但也会降低程序的并发性能。在实际开发中，应结合具体情况合理使用。

八、总结

synchronized是Java并发编程中常用的同步机制，其底层实现依存于Java虚拟机的指令集和对象监视器。通过领会synchronized的底层原理，我们可以更好地使用它来保证线程稳固，同时避免因使用不当使的性能问题。在实际开发中，应结合具体情况合理使用synchronized，以减成本时间程序的并发性能。

以上是一个基于HTML的单纯文章，包含了synchronized底层原理的详细解释和应用场景。文章中包含了必要的代码示例和解释，以帮助读者更好地领会synchronized的工作原理。

本文由IT视界版权所有,禁止未经同意的情况下转发