Android开发中synchronized的实现原理

synchronized的三种使用方式

**1.修饰实例方法,**作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁。

没有问题的写法：

public class AccountingSync implements Runnable{//共享资源(临界资源)static int i=0;/*** synchronized 修饰实例方法*/public synchronized void increase(){i++;}@Overridepublic void run() {for(int j=0;j<1000000;j++){increase();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {AccountingSync instance=new AccountingSync();Thread t1=new Thread(instance);Thread t2=new Thread(instance);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(i);}/*** 输出结果:* 2000000*/
}

因为这段代码中只输入了一个AccountingSync实例。

下面是有问题的写法：

public class AccountingSyncBad implements Runnable{static int i=0;public synchronized void increase(){i++;}@Overridepublic void run() {for(int j=0;j<1000000;j++){increase();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//new新实例Thread t1=new Thread(new AccountingSyncBad());//new新实例Thread t2=new Thread(new AccountingSyncBad());t1.start();t2.start();//join含义:当前线程A等待thread线程终止之后才能从thread.join()返回t1.join();t2.join();System.out.println(i);}
}

在上述代码中出现了一个严重的错误，虽然我们使用了sychronized修饰了increase方法，但new了两个不同的实例对象，这就意味着会出现两个不同的实例对象锁，这样的话ti和t2都会进入各自的对象锁，因此线程安全就得不到保证。想要解决这个问题，就需要将sychronized作用于静态的increase方法。

2.修饰静态方法,作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁。

当sychronized使用静态方法时，对象锁就会是当前类的class对象锁。因为静态成员不属于任何一个实例对象，所以通过class对象锁可以控制静态 成员的并发操作。

如果一个线程A调用一个实例对象的非static synchronized方法，而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的class对象，而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁，看如下代码:

public class AccountingSyncClass implements Runnable{static int i=0;/*** 作用于静态方法,锁是当前class对象,也就是* AccountingSyncClass类对应的class对象*/public static synchronized void increase(){i++;}/*** 非静态,访问时锁不一样不会发生互斥*/public synchronized void increase4Obj(){i++;}@Overridepublic void run() {for(int j=0;j<1000000;j++){increase();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//new新实例Thread t1=new Thread(new AccountingSyncClass());//new心事了Thread t2=new Thread(new AccountingSyncClass());//启动线程t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(i);}
}

这种情况下可能会发现线程安全问题(操作了共享静态变量i)。

3.修饰代码块，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

synchronized同步代码块

public class AccountingSync implements Runnable{static AccountingSync instance=new AccountingSync();static int i=0;@Overridepublic void run() {//省略其他耗时操作....//使用同步代码块对变量i进行同步操作,锁对象为instancesynchronized(instance){for(int j=0;j<1000000;j++){i++;}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1=new Thread(instance);Thread t2=new Thread(instance);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(i);}
}

当然除了instance作为对象外，我们还可以使用this对象(代表当前实例)或者当前类的class对象作为锁，如下代码：

//this,当前实例对象锁
synchronized(this){for(int j=0;j<1000000;j++){i++;}
}//class对象锁
synchronized(AccountingSync.class){for(int j=0;j<1000000;j++){i++;}
}

synchronized底层语义原理

Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现， 无论是显式同步(有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令,即同步代码块)还是隐式同步都是如此。

同步方法 并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的

理解Java对象头与Monitor

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。
​

实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

填充数据：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐

顶部，则是Java头对象，它实现synchronized的锁对象的基础。

synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的，jvm中采用2个字来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)，其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address 组成，其结构说明如下表：
​

其中Mark Word在默认情况下存储着对象的HashCode、分代年龄、锁标记位等以下是32位JVM的Mark Word默认存储结构

由于对象头的信息是与对象自身定义的数据没有关系的额外存储成本，因此考虑到JVM的空间效率，Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构，以便存储更多有效的数据，它会根据对象本身的状态复用自己的存储空间，如32位JVM下，除了上述列出的Mark Word默认存储结构外，还有如下可能变化的结构：

主要分析一下重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁，锁标识位为10，其中指针指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）。

ObjectMonitor() {_header       = NULL;_count        = 0; //记录个数_waiters      = 0,_recursions   = 0;_object       = NULL;_owner        = NULL;_WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet_WaitSetLock  = 0 ;_Responsible  = NULL ;_succ         = NULL ;_cxq          = NULL ;FreeNext      = NULL ;_EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表_SpinFreq     = 0 ;_SpinClock    = 0 ;OwnerIsThread = 0 ;}

ObjectMonitor中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象)，_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 _EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1，若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。
​

monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因。

synchronized代码块底层原理

现在我们重新定义一个synchronized修饰的同步代码块，在代码块中操作共享变量i，如下：

public class SyncCodeBlock {public int i;public void syncTask(){//同步代码库synchronized (this){i++;}}
}

编译上述代码并使用javap反编译后得到字节码如下(这里我们省略一部分没有必要的信息)：

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncCodeBlock.classLast modified 2017-6-2; size 426 bytesMD5 checksum c80bc322c87b312de760942820b4fed5Compiled from "SyncCodeBlock.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlockminor version: 0major version: 52flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool://........省略常量池中数据//构造函数public com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnLineNumberTable:line 7: 0//===========主要看看syncTask方法实现================public void syncTask();descriptor: ()Vflags: ACC_PUBLICCode:stack=3, locals=3, args_size=10: aload_01: dup2: astore_13: monitorenter  //注意此处，进入同步方法4: aload_05: dup6: getfield      #2             // Field i:I9: iconst_110: iadd11: putfield      #2            // Field i:I14: aload_115: monitorexit   //注意此处，退出同步方法16: goto          2419: astore_220: aload_121: monitorexit //注意此处，退出同步方法22: aload_223: athrow24: returnException table://省略其他字节码.......
}
SourceFile: "SyncCodeBlock.java"

我们主要关注字节码中的如下代码

3: monitorenter  //进入同步方法
//..........省略其他  
15: monitorexit   //退出同步方法
16: goto          24
//省略其他.......
21: monitorexit //退出同步方法

从字节码中可知同步语句块的实现使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令，其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置，当执行monitorenter指令时，当前线程将试图获取 objectref(即对象锁) 所对应的 monitor 的持有权，当 objectref 的 monitor 的进入计数器为 0，那线程可以成功取得 monitor，并将计数器值设置为 1，取锁成功。**如果当前线程已经拥有 objectref 的 monitor 的持有权，那它可以重入这个 monitor (关于重入性稍后会分析)，重入时计数器的值也会加 1。**倘若其他线程已经拥有 objectref 的 monitor 的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行线程执行完毕，即monitorexit指令被执行，执行线程将释放 monitor(锁)并设置计数器值为0 ，其他线程将有机会持有 monitor 。值得注意的是编译器将会确保无论方法通过何种方式完成，方法中调用过的每条 monitorenter 指令都有执行其对应 monitorexit 指令，而无论这个方法是正常结束还是异常结束。为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。从字节码中也可以看出多了一个monitorexit指令，它就是异常结束时被执行的释放monitor 的指令。

synchronized方法底层原理

方法级的同步是隐式，即无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中。JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method_info Structure) 中的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法。当方法调用时，调用指令将会 检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有monitor（虚拟机规范中用的是管程一词）， 然后再执行方法，最后再方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间抛 出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放。

我们看看字节码层面如何实现：

public class SyncMethod {public int i;public synchronized void syncTask(){i++;}
}

使用javap反编译后的字节码如下：

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncMethod.classLast modified 2017-6-2; size 308 bytesMD5 checksum f34075a8c059ea65e4cc2fa610e0cd94Compiled from "SyncMethod.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncMethodminor version: 0major version: 52flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool;//省略没必要的字节码//==================syncTask方法======================public synchronized void syncTask();descriptor: ()V//方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZEDCode:stack=3, locals=1, args_size=10: aload_01: dup2: getfield      #2                  // Field i:I5: iconst_16: iadd7: putfield      #2                  // Field i:I10: returnLineNumberTable:line 12: 0line 13: 10
}
SourceFile: "SyncMethod.java"

从字节码中可以看出，synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法，JVM通过该ACC_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到内核态

Java虚拟机对synchronized的优化

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级

偏向锁 在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。

但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。

轻量级锁 量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

自旋锁 虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高，因此自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因)，一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

锁消除 Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间，如下StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

关于synchronized 可能需要了解的关键点

一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性。如下：

public class AccountingSync implements Runnable{static AccountingSync instance=new AccountingSync();static int i=0;static int j=0;@Overridepublic void run() {for(int j=0;j<1000000;j++){//this,当前实例对象锁synchronized(this){i++;increase();//synchronized的可重入性}}}public synchronized void increase(){j++;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1=new Thread(instance);Thread t2=new Thread(instance);t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(i);}
}

在获取当前实例对象锁后进入synchronized代码块执行同步代码，并在代码块中调用了当前实例对象的另外一个synchronized方法，再次请求当前实例锁时，将被允许，进而执行方法体代码，这就是重入锁最直接的体现，需要特别注意另外一种情况，当子类继承父类时，子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor实现的，因此每次重入，monitor中的计数器仍会加1。

线程中断与synchronized

正如中断二字所表达的意义，在线程运行(run方法)中间打断它，在Java中，提供了以下3个有关线程中断的方法

//中断线程（实例方法）
public void Thread.interrupt();//判断线程是否被中断（实例方法）
public boolean Thread.isInterrupted();//判断是否被中断并清除当前中断状态（静态方法）
public static boolean Thread.interrupted();

当一个线程处于被阻塞状态或者试图执行一个阻塞操作时，使用Thread.interrupt()方式中断该线程，注意此时将会抛出一个InterruptedException的异常，同时中断状态将会被复位(由中断状态改为非中断状态)，如下代码将演示该过程：

public class InterruputSleepThread3 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread() {@Overridepublic void run() {//while在try中，通过异常中断就可以退出run循环try {while (true) {//当前线程处于阻塞状态，异常必须捕捉处理，无法往外抛出TimeUnit.SECONDS.sleep(2);}} catch (InterruptedException e) {System.out.println("Interruted When Sleep");boolean interrupt = this.isInterrupted();//中断状态被复位System.out.println("interrupt:"+interrupt);}}};t1.start();TimeUnit.SECONDS.sleep(2);//中断处于阻塞状态的线程t1.interrupt();/*** 输出结果:Interruted When Sleepinterrupt:false*/}
}

除了阻塞中断的情景，我们还可能会遇到处于运行期且非阻塞的状态的线程，这种情况下，直接调用Thread.interrupt()中断线程是不会得到任响应的，如下代码，将无法中断非阻塞状态下的线程：

public class InterruputThread {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1=new Thread(){@Overridepublic void run(){while(true){System.out.println("未被中断");}}};t1.start();TimeUnit.SECONDS.sleep(2);t1.interrupt();/*** 输出结果(无限执行):未被中断未被中断未被中断......*/}
}

虽然我们调用了interrupt方法，但线程t1并未被中断，因为处于非阻塞状态的线程需要我们手动进行中断检测并结束程序，改进后代码如下：

public class InterruputThread {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1=new Thread(){@Overridepublic void run(){while(true){//判断当前线程是否被中断if (this.isInterrupted()){System.out.println("线程中断");break;}}System.out.println("已跳出循环,线程中断!");}};t1.start();TimeUnit.SECONDS.sleep(2);t1.interrupt();/*** 输出结果:线程中断已跳出循环,线程中断!*/}
}

简单总结一下中断两种情况，一种是当线程处于阻塞状态或者试图执行一个阻塞操作时，我们可以使用实例方法interrupt()进行线程中断，执行中断操作后将会抛出interruptException异常(该异常必须捕捉无法向外抛出)并将中断状态复位，另外一种是当线程处于运行状态时，我们也可调用实例方法interrupt()进行线程中断，但同时必须手动判断中断状态，并编写中断线程的代码(其实就是结束run方法体的代码)。有时我们在编码时可能需要兼顾以上两种情况，那么就可以如下编写：

public void run(){try {//判断当前线程是否已中断,注意interrupted方法是静态的,执行后会对中断状态进行复位while (!Thread.interrupted()) {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);}} catch (InterruptedException e) {}
}

中断与synchronized

线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用，也就是对于synchronized来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种，要么它获得这把锁继续执行，要么它就保存等待，即使调用中断线程的方法，也不会生效。

/*** Created by zejian on 2017/6/2.* Blog : http://blog.csdn.net/javazejian [原文地址,请尊重原创]*/
public class SynchronizedBlocked implements Runnable{public synchronized void f() {System.out.println("Trying to call f()");while(true) // Never releases lockThread.yield();}/*** 在构造器中创建新线程并启动获取对象锁*/public SynchronizedBlocked() {//该线程已持有当前实例锁new Thread() {public void run() {f(); // Lock acquired by this thread}}.start();}public void run() {//中断判断while (true) {if (Thread.interrupted()) {System.out.println("中断线程!!");break;} else {f();}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {SynchronizedBlocked sync = new SynchronizedBlocked();Thread t = new Thread(sync);//启动后调用f()方法,无法获取当前实例锁处于等待状态t.start();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);//中断线程,无法生效t.interrupt();}
}

我们在SynchronizedBlocked构造函数中创建一个新线程并启动获取调用f()获取到当前实例锁，由于SynchronizedBlocked自身也是线程，启动后在其run方法中也调用了f()，但由于对象锁被其他线程占用，导致t线程只能等到锁，此时我们调用了t.interrupt();但并不能中断线程。

等待唤醒机制与synchronized

notify/notifyAll和wait方法，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象

synchronized (obj) {obj.wait();obj.notify();obj.notifyAll();         }

与sleep方法不同的是wait方法调用完成后，线程将被暂停，**但wait方法将会释放当前持有的监视器锁(monitor)，直到有线程调用notify/notifyAll方法后方能继续执行，而sleep方法只让线程休眠并不释放锁。**同时notify/notifyAll方法调用后，并不会马上释放监视器锁，而是在相应的synchronized(){}/synchronized方法执行结束后才自动释放锁。

更多Android相关文章：

Android如何进阶：http://docs.qq.com/doc/DWHFqVHBMVEJPWUx
Android面试题汇总：http://docs.qq.com/doc/DWGZIRFh5VEtYWE1D
Android音视频需要学习哪些：http://docs.qq.com/doc/DWFFWZHNPTHZVdHFX
Android常有的开源框架有哪些框：docs.qq.com/doc/DWHlGYUdseVhsSUda
Android车载应需要学习哪些：docs.qq.com/doc/DWEl0blBabXVvU2Nw Android
Framework怎么学：docs.qq.com/doc/DWFdlc2JocEtNbEJ1