并发系列二：synchronized关键字常见api、对象头及证明hashcode

前言

上篇文章总结了java线程与os线程的联系，以及模拟java调用os函数创建线程。通过上篇文章的总结，咱们了解了java的线程与os线程是一一对等的。同时也了解到了使用多线程的原因。凡事都有利与弊，在多线程提升程序运行效率的优点下，也带来了另外的问题——同步。没错，只要使用到多线程，咱们就要考虑同步，不然就乱套了！在同步问题中，java有一个亲儿子——synchronized关键字。在jdk 1.5后，它就有了一些孪生兄弟 ——JUC包下的各种锁实现。它们之间的特点将在后续的文章中做出总结。

一、为什么在多线程中要使用同步？

如当前章节的主题，为什么在多线程中要使用同步？咱们来看一下下面这段代码：

/**
 * 模拟4个窗口卖20张票
 */
public class TestMulThread {

    private static int ticketNum = 10;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            new Thread(() -> {
               while (!Thread.currentThread().isInterrupted() && ticketNum > 0) {
                   System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出第" + ticketNum-- + "张票");
               }
            }, "窗口" + (i + 1)).start();
        }
    }
}

运行上段代码，你会发现输出的结果毫无规律，可能出现票号为负数的情况，也有可能出现卖出重复票的情况(本人电脑cpu为12核的，处理速度比较快，不会出现上述情况)。这明显是有问题的。要解决这个问题我们可以使用同步策略，所谓同步策略即是使用synchronized关键字(这里只考虑synchronized关键字，不考虑其他的情况)。于是，我们进行代码修改，如下所示：

/**
 * 模拟4个窗口卖20张票
 */
public class TestMulThread {

    private static int ticketNum = 10;

    static Lock lock = new Lock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            new Thread(() -> {
               while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                   synchronized (lock) {
                       if (ticketNum > 0) {
                           System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "售出第" + ticketNum-- + "张票");
                       } else {
                           Thread.currentThread().interrupt();
                       }
                   }
               }
            }, "窗口" + (i + 1)).start();
        }
    }
}

class Lock {

}

修改后的代码为，新建了一个Lock类作为锁对象。这样就完成了同步的操作。下面总结下synchronized关键字的常见使用方式、经典案例及其特点。

二、synchronized关键字的几种用法即特点

这里要明白一个点：synchronized锁住的是对象，是通过一个标识来表示是具体的哪一种锁

2.1 锁类实例和类对象

具体参考如下代码：

// 情况一：锁object对象
public class Demo {

    private Object object = new Object();

    public void test(){
        synchronized (object) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

// 情况二: 锁当前对象 this，锁定某个代码块
// 使用此种方式要注意调用进来的this是否为同一对象
// 若Demo的实例不是单例的，那么这把锁基本上起不到同步的作用
public class Demo {

    public void test() {
        //synchronized(this)锁定的是当前类的实例,这里锁定的是Demo类的实例
        synchronized (this) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

// 情况三: 锁当前对象 this，锁定整个方法
// 与情况二类似，但是它是锁住了整个方法，粒度比情况二大
public class Demo {

    public synchronized void test() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

// 
// ===> 当调用当前类的所有同步静态方法将会等待获取锁
// 注意: 但是此时还是能调用类实例的同步方法。为什么呢？
// 因为静态同步方法和类实例同步方法拥有的锁不一样
// 一个是类对象一个是类实例对象。
// 同时，此时还能调用类对象的静态非同步方法以及类实例的
// 非同步方法。为什么呢？因为这些方法没有加锁啊，可以直接调用。
public class Demo {

    public static synchronized void test() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}

2.2 锁同一个String常量

查看如下代码：

/**
  上面说了，synchronized关键字锁的是对象，
  而对于s1和s2这两个对象，他们的值都是lock，
  也就是放在常量池中的(堆内的方法区)，
  所以s1和s2指向的是同一个对象。所以
  下面的test1和test2方法使用的都是同一把锁，
  最终的运行结果就是线程2会等待线程1把锁释放完毕后
  才能获取锁并执行如下代码。
 */
public class Demo {

    String s1 = "lock";
    String s2 = "lock";

    public void test1() {
        synchronized (s1) {
            System.out.println("t1 start");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("t1 end");
        }
    }

    public void test2() {
        synchronized (s2) {
            System.out.println("t2 start");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo demo = new Demo();
        new Thread(demo :: test1, "test1").start();
        new Thread(demo :: test2, "test2").start();
    }

}

2.3 锁Integer对象

见如下代码：

public static class BadLockOnInteger implements Runnable{
    public static Integer i = 0;

    static BadLockOnInteger instance = new BadLockOnInteger();

    @Override
    public void run() {
        for (int j = 0; j < 10000000; j++) {
            synchronized(i) {
                // 在jvm执行时, 这是这样的一段代码:  i = Integer.valueOf(i.intValue() + 1),
                // 跟踪Integer.valueOf()源码可知, 每次都是返回一个新的Integer对象, 导致加锁的都是新对象,当然会导致多线程同步失效
                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);
    }
}

2.4 可重入性(包括继承)

概念解释：所谓可重入性就是连续申请获取同一把锁

见如下代码

/**
 一个同步方法调用另外一个同步方法，支持可重入
 */
public class Demo {

    public synchronized void test1() {
        System.out.println("test1 start");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        test2();
    }

    public synchronized void test2() {
        System.out.println("test2 start");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo demo = new Demo();
        demo.test1();
    }

}

/**
 继承也支持可重入特性
 */
public class Demo {

    synchronized void test() {
        System.out.println("demo test start");
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("demo test end");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Demo2().test();
    }

}

class Demo2 extends Demo {

    @Override
    synchronized void test() {
        System.out.println("demo2 test start");
        // 此处调用了父类的方法
        super.test();
        System.out.println("demo2 test end");
    }

}

2.5 synchronized释放锁的几种情况

synchronized关键字是手动上锁自动释放锁的。同时自动释放锁包括：加锁代码块执行结束或者抛出的异常
在执行await方法时，锁会被自动释放。

三、初识对象头

3.1 对象头结构

上面介绍了synchronized的一些基本用法和特性。接下来我们开始认识下对象头。(ps：要想理解synchronized关键字，了解对象头是基础)
大家都知道，synchroinzed在jdk1.6之后会存在锁升级过程，所以会根据不同的情况产生不同的锁：偏向锁、轻量锁、重量锁。而这些所谓锁对应的仅仅是对象头的一些信息。下面两张图将罗列出不同状态下的对象头信息

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

3.2 如何查看对象头

第一步：maven项目引入如下jar包

<dependency>
   <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

第二步：新建User.java类

public class User {

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    }

}

第三步：运行main方法查看对象头信息

在这里插入图片描述

3.3 证明无锁状态对象的前56位存储的是hascode

3.3.1 cpu的大小端模式

为什么要总结这个呢？因为jol打印出来的一些对象信息里面有很多0101以及对应的十六进制的值。我们要知道hashcode存在哪，就要知道cpu的大小端模式。

3.3.2 何为大小端模式

参考链接：https://www.cnblogs.com/0YHT0/p/3403474.html。大致总结为：我们的数据是存在内存中的，而每个cpu对应的存储方式是不一致的。所谓大端模式就是高位存在内存低位上，eg：假设要存储12345678这个数字时，两两为一对。87属于第一位、56属于第二位.....以此类推。那么，我们就能知道12是最高位，所以它会被存到内存的低位。拿上述链接的总结来说就是如下表所示：

内存地址存储的数据（Byte）

0x00000000 0x12

0x00000001 0x34

0x00000002 0x56

0x00000003 0x78

大致意思就是这样，所以在大端模式下，最终取数据时(从低位开始取)，于是完美还原12345678。小端模式的话，相反的。这里就不总结了。那么问题来了，我们如何知道我们的cpu是大端存储模式还是小端存储模式呢？java提供了如下api：
```
// 输出结果参考如下内容：
// BIG_ENDIAN：大端模式
// LITTLE_ENDIAN: 小端模式
System.out.println(ByteOrder.nativeOrder().toString());
```

内存地址	存储的数据（Byte）
0x00000000	0x12
0x00000001	0x34
0x00000002	0x56
0x00000003	0x78

3.3.3 证明hashcode

接下来我们来证明前56位存储的hashcode。

新建如下类

public class Valid {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ByteOrder.nativeOrder().toString());

        User user = new User();
        System.out.println("before hashcode");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
        // 将hashcode转成16进制，因为jol在输出的内容中包含16进制的值
        System.out.println(Integer.toHexString(user.hashCode()));

        System.out.println("after hashcode");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    }
}

运行结果如下图所示：

在这里插入图片描述

四、总结

综上，咱们了解了java对象头的结构以及证明了无锁状态下的前56为存储的是hashcode。咱们要深刻理解java的对象头，这是理解synchronized关键字的基石。下篇文章主题为：证明分代年龄、无锁、偏向锁、轻量锁、重(chong)偏向、重(chong)轻量、重量锁
并发模块对应github地址：传送门
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