synchronized关键字

简要回答

synchronized是Java中最基础的线程同步关键字，通过互斥锁机制保证多线程对共享资源的安全访问，可以修饰方法或代码块。

详细回答

• synchronized是Java提供的内置锁（监视器锁），其实现依赖软件层面上的JVM，其性能会随着Java版本的升级而提高。
• 当方法或代码快被synchronized修饰时，它将成为临界区，同一时刻只能由一个线程访问。
• 当线程通过synchronized等待锁的时候不能被Thread.interrupt()中断，需要保证程序合理防止造成死锁。
• 使用synchronized后，会在编译之后在代码前后加上monitorenter和monitorexit字节码指令。
  • 执行monitorenter指令时尝试获取对象锁，如果对象没有被锁或者已经获得了锁，锁的计数器加一。此时其他竞争锁的线程会进入阻塞队列等待。
  • 执行monitorexit指令时会把计数器减一，当计数器值为0时，锁释放，处于等待队列中的线程会竞争锁。
• 加锁的过程中会清除工作内存中的共享变量，再从主内存读取，释放锁的过程则是将工作内存中的共享变量写回主内存。

public synchronized void synchronizedMethod(){
  //这个方法内部的代码被锁定，同一时间只有一个线程可以执行
}

public void someMethod(){
  synchronized(this){
    //这个代码块被锁定
  }
}

• Java对象在内存中包含“对象头”，其中有一个Mark Word字段会记录锁的状态（无锁/偏向锁/轻量级锁/重量级锁）。
• synchronized版本更新：
  1. JDK6之前，synchronized是重量级锁，线程阻塞/唤醒时需要进行操作系统内核态切换，造成很大开销。
  2. JDK6及以后引入了锁升级机制，即偏向锁-轻量级锁-重量级锁的升级规则，大幅减小开销。

知识图解

1. synchronized底层示意图
2. 锁升级示意图

知识扩展

1. 扩展：

• Monitor结构（适用于重量级锁）
  • Monitor是synchronized实现线程同步的核心底层结构，通过EntryList和WaitSet管理线程的竞争和等待。
  • Monitor核心结构包含：
    1. Owner（指向当前持有锁的线程）
    2. EntryList（未获取到锁的线程）
    3. WaitSet（调用wait()方法的线程，如果被唤醒线程进入EntrySet）
    4. recursions（当前线程持有锁的重入次数）

2. 面试官可能追问：

• Q1：详细介绍一下锁的升级机制？

  1. 无锁：没有开启偏向锁时为无锁，JDK6之后默认开启偏向锁。
  2. 偏向锁：没有线程拿到锁，称为匿名偏向。有线程拿到偏向锁会记录线程ID，如果还有相同ID的线程竞争锁则直接获取。JDK8后默认为轻量级锁，可以设置附加偏向锁。
  3. 轻量级锁：新线程竞争偏向锁时升级为轻量级锁。每个线程通过CAS操作尝试将锁对象头的MarkWord设置为指向自身，如果成功设置则已获得锁。
  4. 重量级锁：自旋次数/自旋线程数超过阈值升级为重量级锁。线程被挂起节约CPU资源，但是内核态和用户态切换消耗大。

• Q2：synchronized锁静态方法和普通方法有什么区别？

  锁静态方法	锁普通方法
  锁当前类对象	锁当前对象实例
  对所有实例调用都互斥	仅对同一对象互斥
  同一时间只有一个线程能执行	多线程可同时访问不同对象