探索 Java 記憶體模型與同步機制的奧秘 | Synchronized 鎖的 3 種狀態

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在現代計算機系統中，效能和安全性是至關重要的兩大指標。而在 Java 開發中，記憶體模型（Java Memory Model，JMM）和同步機制（synchronized）是實現這兩大指標的關鍵所在

這篇文章將帶你深入了解 Java 記憶體模型的規劃、CPU 高速緩存的運作原理，以及同步機制的底層實現與比較。無論您是初學者還是資深開發者，都能從中獲得有價值的知識，提升您的 Java 編程能力

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JMM 計算機原理

JMM 的全名是 Java Memory Model，其定義了 Java 虛擬機（JVM） 在計算機內存（PC Memory）中的工作方式，所以 JMM 是屬於 JVM 底下的，Java 1.5 版本對它進行了重構，現在的 Java 仍繼續使用，在 JMM 中遇到的問題跟現在的 PC 是差不多的

由 Jeff Dean 在 Google 全體工程大會的報告，我們可以大致認識一下每個裝置處理數據的時間… 如下表所示

● 接著，我們假設 CPU 讀取內存 1M 的數據，那它會耗費多少時間呢？這裡我們試算看看…

/**
 * 假設有 1M 數據
 */ 
1024 * 1024 = 1048576 (1MByte 多)

/**
* CPU 讀取 1M 數據，並且一次讀 4 Byte 
*/
1048576 / 4 = 262144 次的讀取動作

/**
 * 1.6G CPU 一條指令 0.6ns
 */ 
 262144 * 0.6ns = 0.157286ms (執行 1M 讀取)

 /**
  * 由於我們上面是計算一次讀取 4 Byte，那假設 CPU 處理 4Byte 需要 100ns
  */ 
 262144 * 100ns = 26214400 = 26.2144ms (執行 ＆ 讀取)

 /**
  * CPU 讀取完 1M 所耗費的時間
  */ 
 26.2144ms + 0.157286ms = 26.37ms

// linux 指令
watch -n 1 "lscpu"

探索 synchronized 實現原理

● Synchronized 是 Java 內置同步鎖的機制，我們現在使用 Java 指令對其反編譯，以下是使用 Java 反編譯指令，可以觀察到使用 synchronized 時會使用到關鍵字 monitorenter、monitorexit

# Java 指令
javac MySync

javap -c MySyncTask.class    # -c is 反組譯

// 以下都使用該程式
public class TestSynch {
    private int a = 0;

    public synchronized void _SyncMethod() {
        a = a + 1; //a++;
    }

    public void _SyncThis() {
        synchronized (this) {
            a = a + 1; //a++;
        }
    }

    public void _SyncClass() {
        synchronized (TestSynch.class) {
            a = a + 1; //a++;
        }
    }

}

public synchronized void _SyncMethod() {
    a = a + 1; //a++;
}

public void _SyncThis() {
    synchronized (this) {
        a = a + 1; //a++;
    }
}

public void _SyncClass() {
    synchronized (TestSynch.class) {
        a = a + 1; //a++;
    }
}

物件頭：Synchronized 鎖的狀態

鎖的狀態都是 synchronized 內部對於物件頭中的鎖 的狀態鎖更改，它是 synchronized 關鍵字的一種優化（它會依照不同的狀況改變鎖的狀態，不同狀態又有不同的消能）

鎖的狀態：無鎖 -> 偏向鎖 -> 輕量級 -> 重量級，可以升級鎖的狀態，但是不能降級

無鎖就先不介紹 (它就是沒有鎖，所以物件頭也不會改變)

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