精通java并发-synchronized关键字和锁

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synchronized关键字和锁

示例代码

public class MyThreadTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        MyClass myClass = new MyClass();
        MyClass myClass2 = new MyClass();
        Thread t1 = new Thread1(myClass);
        //Thread t2 = new Thread2(myClass);
        Thread t2 = new Thread2(myClass2);
        t1.start();
        try {
            Thread.sleep(700);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        t2.start();
    }
}
class MyClass {
    public synchronized void hello () {
        try {
            Thread.sleep(4000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("hello");
    }
    public synchronized void world() {
        System.out.println("world");
    }
}
class Thread1 extends Thread {
    private MyClass myClass;
    public Thread1(MyClass myClass) {
        this.myClass = myClass;
    }
    @Override
    public void run() {
        myClass.hello();
    }
}
class Thread2 extends Thread {
    private MyClass myClass;
    public Thread2(MyClass myClass) {
        this.myClass = myClass;
    }
    @Override
    public void run() {
        myClass.world();
    }
}

结论

如图，synchronized可以用在方法上也可以使用在代码块中，其中方法是实例方法和静态方法分别锁的是该类的实例对象和该类的对象。而使用在代码块中也可以分为三种，具体的可以看上面的表格。这里的需要注意的是：如果锁的是类对象的话，尽管new多个实例对象，但他们仍然是属于同一个类依然会被锁住，即线程之间保证同步关系。

透过字节码理解synchronized关键字

修饰代码块

public class MyTest1 {
    private Object object = new Object();
    public void method() {
        synchronized (object) {
            System.out.println("hello world");
            throw new RuntimeException();
        }
    }
    public void method2() {
        synchronized (object) {
            System.out.println("welcome");
        }
    }
}

• method方法为一定抛异常的方法

• method2方法为一个普通方法

• 通过javap -v MyTest1.class查看字节码文件

当我们使用synchronized关键字来修饰代码块时，字节码层面上是通过monitorenter与monitorexit指令来实现的锁的获取与释放动作。

当线程进入到monitorenter指令后，线程将会持有Monitor对象，退出monitorenter指令后，线程将会释放Monitor对象

修饰普通方法和静态方法

public class MyTest2 {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("hello world");
    }
}

public class MyTest3 {
    public static synchronized void method() {
        System.out.println("hello world");
    }
}

对于synchronized关键字修饰方法来说，并没有出现monitorenter与monitorexit指令，而是出现了一个ACC_SYNCHRONIZED标志。

JVM使用了ACC_SYNCHRONIZED访问标志来区分一个方法是否为同步方法；当方法被调用时，调用指令会检查该方法是否拥有ACC_SYNCHRONIZED标志，

如果有，那么执行线程将会先持有方法所在对象的Monitor对象，然后再去执行方法体；在该方法执行期间，其他任何线程均无法再获取到这个Monitor对象， 当线程执行完该方法后，它会释放掉这个Monitor对象。

monitor

JVM中的同步是基于进入与退出监视器对象（管程对象）（Monitor）来实现的，每个对象实例都会有一个Monitor对象，Monitor对象会和

Java对象一同创建并销毁。Monitor对象是由C++来实现的。

当多个线程同时访问一段同步代码时，这些线程会被放到一个EntryList集合中，处于阻塞状态的线程都会被放到该列表当中。接下来，当线程

获取到对象的Monitor时，Monitor是依赖于底层操作系统的mutex lock来实现互斥的，线程获取mutex成功，则会持有该mutex，这时其他

线程就无法再获取到该mutex。

如果线程调用了wait方法，那么该线程就会释放掉所持有的mutex，并且该线程会进入到WaitSet集合（等待集合）中，等待下一次被其他线程

调用notify/notifyAll唤醒。如果当前线程顺利执行完毕方法，那么它也会释放掉所持有的mutex。

• 总结一下：同步锁在这种实现方式当中，因为Monitor是依赖于底层的操作系统实现，这样就存在用户态与内核态之间的切换，所以会增加性能开销。

通过对象互斥锁的概念来保证共享数据操作的完整性。每个对象都对应于一个可称为『互斥锁』的标记，这个标记用于保证在任何时刻，只能有一个

线程访问该对象。

那些处于EntryList与WaitSet中的线程均处于阻塞状态，阻塞操作是由操作系统来完成的，在linux下是通过pthread_mutex_lock函数实现的。

线程被阻塞后便会进入到内核调度状态，这会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能。

• 自旋(Spin)

解决上述问题的办法便是自旋（Spin）。其原理是：当发生对Monitor的争用时，若Owner能够在很短的时间内释放掉锁，则那些正在争用的线程就可以稍微

等待一下（即所谓的自旋），在Owner线程释放锁之后，争用线程可能会立刻获取到锁，从而避免了系统阻塞。不过，当Owner运行的时间超过了临界值

后，争用线程自旋一段时间后依然无法获取到锁，这时争用线程则会停止自旋而进入到阻塞状态。所以总体的思想是：先自旋，不成功再进行阻塞，尽量

降低阻塞的可能性，这对那些执行时间很短的代码块来说有极大的性能提升。显然，自旋在多处理器（多核心）上才有意义。

互斥锁

普通锁(PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP)

• 当一个线程加锁以后，其余请求锁的线程将会形成一个等待队列，并且在解锁后按照优先级获取到锁。这种策略可以确保资源分配的公平性。(缺省值)

嵌套锁(PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP)

• 允许一个线程对同一个锁成功获取多次，并通过unlock解锁。如果是不同线程请求，则在加锁线程解锁时重新进行竞争。

检错锁(PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP)

• 如果一个线程请求同一个锁，则返回EDEADLK，否则与PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP类型动作相同，这样就保证了当不允许多次加锁时不会出现最简单情况下的死锁。

适应锁(PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP)

• 适应锁，动作最简单的锁类型，仅仅等待解锁后重新竞争。

synchronized关键字的优化

• 在JDK 1.5之前，我们若想实现线程同步，只能通过synchronized关键字这一种方式来达成；底层，Java也是通过synchronized关键字来做到数据的原子性维护的；synchronized关键字是JVM实现的一种内置锁，从底层角度来说，这种锁的获取与释放都是由JVM帮助我们隐式实现的。

• 从JDK 1.5开始，并发包引入了Lock锁，Lock同步锁是基于Java来实现的，因此锁的获取与释放都是通过Java代码来实现与控制的；然而，synchronized是基于底层操作系统的Mutex Lock来实现的，每次对锁的获取与释放动作都会带来用户态与内核态之间的切换，这种切换会极大地增加系统的负担；在并发量较高时，也就是说锁的竞争比较激烈时，synchronized锁在性能上的表现就非常差。

• 从JDK 1.6开始，synchronized锁的实现发生了很大的变化；JVM引入了相应的优化手段来提升synchronized锁的性能，这种提升涉及到偏向锁、轻量级锁及重量级锁等，从而减少锁的竞争所带来的用户态与内核态之间的切换；这种锁的优化实际上是通过Java对象头中的一些标志位来去实现的；对于锁的访问与改变，实际上都与Java对象头息息相关。

• 从JDK 1.6开始，对象实例在堆当中会被划分为三个组成部分：对象头、实例数据与对齐填充。

  • 对象头主要也是由3块内容来构成：

    • Mark Word

    • 指向类的指针

    • 数组长度

  • 其中Mark Word（它记录了对象、锁及垃圾回收相关的信息，在64位的JVM中，其长度也是64bit）的位信息包括了如下组成部分：

    • 无锁标记
    • 偏向锁标记
    • 轻量级锁标记
    • 重量级锁标记
    • GC标记

对于synchronized锁来说，锁的升级主要都是通过Mark Word中的锁标志位与是否是偏向锁标志位来达成的；synchronized关键字所对应的锁都是先从偏向锁开始，随着锁竞争的不断升级，逐步演化至轻量级锁，最后则变成了重量级锁。

• 对于锁的演化来说，它会经历如下阶段：

无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁

偏向锁

针对于一个线程来说的，它的主要作用就是优化同一个线程多次获取一个锁的情况；如果一个synchronized方法被一个线程访问，那么这个方法所在的对象

就会在其Mark Word中将偏向锁进行标记，同时还会有一个字段来存储该线程的ID；当这个线程再次访问同一个synchronized方法时，它会检查这个对象的Mark Word的偏向锁标记以及是否指向了其线程ID，如果是的话，那么该线程就无需再去进入管程（Monitor）了，而是直接进入到该方法体中。

如果是另外一个线程访问这个synchronized方法，那么实际情况会如何呢？

偏向锁会被取消掉。

轻量级锁

若第一个线程已经获取到了当前对象的锁，这时第二个线程又开始尝试争抢该对象的锁，由于该对象的锁已经被第一个线程获取到，因此它是偏向锁，而第二个线程在争抢时，会发现该对象头中的Mark Word已经是偏向锁，但里面存储的线程ID并不是自己（是第一个线程），那么它会进行CAS（Compare and Swap），从而获取到锁，这里面存在两种情况：

获取锁成功：那么它会直接将Mark Word中的线程ID由第一个线程变成自己（偏向锁标记位保持不变），这样该对象依然会保持偏向锁的状态。

获取锁失败：则表示这时可能会有多个线程同时在尝试争抢该对象的锁，那么这时偏向锁就会进行升级，升级为轻量级锁

自旋锁

若自旋失败（依然无法获取到锁），那么锁就会转化为重量级锁，在这种情况下，无法获取到锁的线程都会进入到Monitor（即内核态）

自旋最大的一个特点就是避免了线程从用户态进入到内核态。

重量级锁

线程最终从用户态进入到了内核态。

编译器对于锁的优化措施

锁消除技术

JIT编译器（Just In Time编译器）可以在动态编译同步代码时，使用一种叫做逃逸分析的技术，来通过该项技术判别程序中所使用的锁对象是否只被一个线程所使用，而没有散布到其他线程当中；如果情况就是这样的话，那么JIT编译器在编译这个同步代码时就不会生成synchronized关键字所标识的锁的申请与释放机器码，从而消除了锁的使用流程。

public class MyTest4 {
//    private Object object = new Object();
    public void method() {
        Object object = new Object();
        synchronized (object) {
            System.out.println("hello world");
        }
    }
}

锁粗化

JIT编译器在执行动态编译时，若发现前后相邻的synchronized块使用的是同一个锁对象，那么它就会把这几个synchronized块给合并为一个较大的同步块，这样做的好处在于线程在执行这些代码时，就无需频繁申请与释放锁了，从而达到申请与释放锁一次，就可以执行完全部的同步代码块，从而提升了性能

public class MyTest5 {
    private Object object = new Object();
    public void method() {
        synchronized (object) {
            System.out.println("hello world");
        }
        synchronized (object) {
            System.out.println("welcome");
        }
        synchronized (object) {
            System.out.println("person");
        }
    }
}

死锁,活锁和饿死

• 死锁：线程1等待线程2互斥持有的资源，而线程2也在等待线程1互斥持有的资源，两个线程都无法继续执行

• 活锁：线程持续重试一个总是失败的操作，导致无法继续执行

• 饿死：线程一直被调度器延迟访问其赖以执行的资源，也许是调度器先于低优先级的线程而执行高优先级的线程，同时总是会有一个高优先级的线程可以执行，饿死也叫做无限延迟