Java锁机制--synchronized

在理解锁机制前，我们需要了解线程安全和并发相关的知识。

Java内存模型

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一个线程独占的状态；

• unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定；

• read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传送到线程中的工作内存，以便随后的load动作使用；

• load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中；

• use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎；

• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量；

• store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作；

• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值写入主内存的变量中。

并发的三个特性

• 原子性

  原子性是指不可再分的最小操作指令，即单条机器指令，原子性操作任意时刻只能有一个线程，因此是线程安全的。

  Java内存模型中通过read、load、assign、use、store和write这6个操作保证变量的原子性操作。

  long和double这两个64位长度的数据类型java虚拟机并没有强制规定他们的read、load、store和write操作的原子性，即所谓的非原子性协定，但是目前的各种商业java虚拟机都把long和double数据类型的4中非原子性协定操作实现为原子性。所以java中基本数据类型的访问读写是原子性操作。

  对于大范围的原子性保证需要通过lock和unlock操作以及synchronized同步块来保证。

• 可见性

  可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程可以立即得知这个修改。

  Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。

  Java中通过volatile、final和synchronized这三个关键字保证可见性：

  • volatile：通过刷新变量值确保可见性。

  • synchronized：同步块通过变量lock锁定前必须清空工作内存中变量值，重新从主内存中读取变量值，unlock解锁前必须把变量值同步回主内存来确保可见性。

  • final：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把this引用传递进去，那么在其他线程中就能看见final字段的值，无需同步就可以被其他线程正确访问。

• 有序性

  线程的有序性是指：在线程内部，所有的操作都是有序执行的，而在线程之间，因为工作内存和主内存同步的延迟，操作是乱序执行的。

  Java通过volatile和synchronized关键字确保线程之间操作的有序性。

  volatile禁止指令重排序优化实现有序性。

  synchronized通过一个变量在同一时刻只允许一个线程对其进行lock锁定操作来确保有序性。

Java锁机制

目前在Java中存在两种锁机制：synchronized和Lock

数据同步需要依赖锁，那锁的同步又依赖谁？synchronized给出的答案是在软件层面依赖JVM，而Lock给出的方案是在硬件层面依赖特殊的CPU指令

synchronized

synchronized是Java中的关键字，是一种同步锁。它修饰的对象有以下几种：

1. 修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象；

2. 修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象；

3. 修改一个静态的方法，其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象；

4. 修改一个类，其作用的范围是synchronized后面括号括起来的部分，作用主的对象是这个类的所有对象。

Synchronized的作用主要有三个：

• 确保线程互斥的访问同步代码

• 保证共享变量的修改能够及时可见

• 有效解决重排序问题。

一般说的synchronized用来做多线程同步功能，其实synchronized只是提供多线程互斥，而对象的wait()和notify()方法才提供线程的同步功能。

一般说synchronized是加锁，或者说是加对象锁，其实对象锁只是synchronized在实现锁机制中的一种锁（重量锁，用这种方式互斥线程开销大所以叫重量锁，或者叫对象monitor），而synchronized的锁机制会根据线程竞争情况在运行会有偏向锁、轻量锁、对象锁，自旋锁（或自适应自旋锁）等，总之，synchronized可以认为是一个几种锁过程的封装。

通常说的synchronized在方法或块上加锁，这里的锁就是对象锁（当然也可以在类上面），或者叫重量锁，在JVM中又叫对象监视器（Monitor），就是对象来监视线程的互斥。

总结

synchronized可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入到临界区，同时它还可以保证共享变量的内存可见性。