【并发编程】synchronized底层原理及对象锁和类锁实践

1.什么是synchronzied

• synchronized是解决线程安全的问题，常用在 同步普通方法、静态方法、代码块 中

• 每个对象有一个锁和一个等待队列，锁只能被一个线程持有，其他需要锁的线程需要阻塞等待

• 锁被释放后，对象会从队列中取出一个并唤醒，唤醒哪个线程是不确定的，不保证公平性

• 所以是非公平、可重入的悲观锁

2.synchronzied对象锁实践

（1）什么是对象锁

• 也叫实例锁，对应synchronized关键字，当多个线程访问多个实例时，它们互不干扰，每个对象都拥有自己的锁

• 但如果是多个线程访问同个对象的sychronized块，是同步的加锁，访问不同对象的话就是不同步的

• synchronized(object){}的 效果和在实例方法上加锁一样，不同的是可以在（）里添加不同的对象

（2）准备测试的方法

我们现在有一个场景，就是在火车站用售票机购买火车票，那么一个售票机是不是同一时刻只能有一个人去购买，后面的人只能排队等待，多个售票机可以实现多个人同时去购买，但是这个几个人同时购买取决于我们有多少个售票机。那么我们现在就来模拟下这个购买票的场景。

• 定义售票机类，类中定义售票的方法。

public class TicketMachine {
	//我们这块先用同步方法进行测试
    public synchronized void buyTicket(){
        try {
            //假设购买一张票的时间是2s
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",购买了一张火车票。");
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

public class SyncTest {
    public static void main(String[] args) {

        //创建售票机对象
        TicketMachine ticketMachine = new TicketMachine();

        //创建李祥线程去 ticketMachine 这个售票机购买一张票
        new Thread(()->{
            //记录开始时间
            long start = new Date().getTime();
            ticketMachine.buyTicket();
            //记录结束时间
            long end = new Date().getTime();
            System.out.println("李祥购票耗时："+(end-start)+" 毫秒");
        },"李祥").start();

        //创建张三线程去 ticketMachine 这个售票机购买一张票
        new Thread(()->{
            //记录开始时间
            long start = new Date().getTime();
            ticketMachine.buyTicket();
            //记录结束时间
            long end = new Date().getTime();
            System.out.println("张三购票耗时："+(end-start)+" 毫秒");
        },"张三").start();
    }
}

首先我们分析这段代码一共起了多少线程，主线程、李祥线程、张三线程，主线程先启动，由于张三线程和李祥线程CPU调度不一定先分给谁，所以谁先运行都可能，但是他们在同一个售票机，也就是同一个锁资源，必然会出现，一个线程执行完成之后，才会执行另外一个线程。

• 采用同步代码块操作也是一样的

public class TicketMachine {

    public void buyTicket(){
        //锁this，锁住当前对象
        synchronized(this){
            try {
                //假设购买一张票的时间是2s
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",购买了一张火车票。");
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

• 如果是两个售票机对象，张三调用售票机1对象，李祥调用售票机2对象

public class SyncTest {
    public static void main(String[] args) {

        //创建售票机对象
        TicketMachine ticketMachine1 = new TicketMachine();
        TicketMachine ticketMachine2 = new TicketMachine();

        //创建李祥线程去 ticketMachine1 这个售票机购买一张票
        new Thread(()->{
            //记录开始时间
            long start = new Date().getTime();
            ticketMachine1.buyTicket();
            //记录结束时间
            long end = new Date().getTime();
            System.out.println("李祥购票耗时："+(end-start)+" 毫秒");
        },"李祥").start();

        //创建张三线程去 ticketMachine2 这个售票机购买一张票
        new Thread(()->{
            //记录开始时间
            long start = new Date().getTime();
            ticketMachine2.buyTicket();
            //记录结束时间
            long end = new Date().getTime();
            System.out.println("张三购票耗时："+(end-start)+" 毫秒");
        },"张三").start();
    }
}

3.synchronzied类锁实践

（1）什么是类锁（static sychronized method{}）

• 关键字是 static sychronized，是一个全局锁，不管创建多少个对象都共享同一个锁
• 保障同一个时刻多个线程同时访问同一个synchronized块，当一个线程在访问时，其他的线程等待
• 静态方法使用synchronized关键字后，无论是多线程访问单个对象还是多个对象的sychronized块，都是同步的
• synchronized(xxx.class){}的 效果和在静态方法方法上加锁一样，不同的是可以在（）里添加不同的类对象

（2）类锁实践

• 还是刚刚的代码稍加改动就能实现类锁
• 同步方法加上static关键字就能实现类锁
• 同步代码块锁住 类.class 就能实现类锁

public class TicketMachine {

    public void buyTicket(){
        //锁this，锁住当前对象
        synchronized(TicketMachine.class){
            try {
                //假设购买一张票的时间是2s
                Thread.sleep(2000);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",购买了一张火车票。");
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

public class TicketMachine {

    public static synchronized void buyTicket(){
         try {
            //假设购买一张票的时间是2s
            Thread.sleep(2000);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",购买了一张火车票。");
         } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
         }
     }
}

4.synchronized底层锁原理分析

测试方法，生成字节码查看

javac TicketMachine.java

javap -v TicketMachine.class

两种形式：

• 同步方法
  • 生成的字节码文件中会多一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志位
  • 当一个线程访问方法时，会去检查是否存在ACC_SYNCHRONIZED标识
  • 如果存在，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor
  • 在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象，也叫隐式同步

• 同步方法
  • 加了 synchronized 关键字的代码段，生成的字节码文件会多出 monitorenter 和 monitorexit 两条指令
  • 每个monitor维护着一个记录着拥有次数的计数器, 未被拥有的monitor的该计数器为0，
  • 当一个线程获执行monitorenter后，该计数器自增1
  • 当同一个线程执行monitorexit指令的时候，计数器再自减1。
  • 当计数器为0的时候,monitor将被释放.也叫显式同步

• 两种本质上没有区别，底层都是通过monitor来实现同步, 只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成

5.线上死锁排查案例

（1）什么是死锁

• 两个或两个以上的线程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象
• 若无外力作用，它们都将无法让程序进行下去
• 生产环境出现如何发现死锁，说说你的排查方式

（2）案例代码

模拟方法A获取locka锁后，线程挂起但不释放锁资源，再去尝试获取lockb锁，方法B获取lockb锁后，线程挂起但不释放锁资源，再去尝试获取locka锁，这样如果同时调用两个方法，则会出现死锁的现象。

public class DeadLockDemo {

    private static Object locka = new Object();

    private static Object lockb = new Object();

    public void methodA(){
        synchronized (locka){
            System.out.println("我是A方法中获得了锁A "+Thread.currentThread().getName() );
            //让出CPU执行权，不释放锁
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized(lockb){
                System.out.println("我是A方法中获得了锁B "+Thread.currentThread().getName() );
            }
        }
    }

    public void methodB(){
        synchronized (lockb){
            System.out.println("我是B方法中获得了锁B "+Thread.currentThread().getName() );
            //让出CPU执行权，不释放锁
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized(locka){
                System.out.println("我是B方法中获得了锁A "+Thread.currentThread().getName() );
            }
        }
    }

    public static void main(String [] args){
        System.out.println("主线程运行开始运行："+Thread.currentThread().getName());
        DeadLockDemo deadLockDemo = new DeadLockDemo();
        new Thread(()->{
            deadLockDemo.methodA();
        }).start();
        new Thread(()->{
            deadLockDemo.methodB();
        }).start();
        System.out.println("主线程运行结束："+Thread.currentThread().getName());
    }
}

• 死锁的4个必要条件
  • 互斥条件：资源不能共享，只能由一个线程使用
  • 请求与保持条件：线程已经获得一些资源，但因请求其他资源发生阻塞，对已经获得的资源保持不释放
  • 不可抢占：有些资源是不可强占的，当某个线程获得这个资源后，系统不能强行回收，只能由线程使用完自己释放
  • 循环等待条件：多个线程形成环形链，每个都占用对方申请的下个资源
• 只要发生死锁，上面的条件都成立；只要一个不满足，就不会发生死锁
• 排查方式
• 方式一：Jps查到具体的某个进程， jstack查看死锁

• 方式二：jconsole