从入门到放弃Java并发编程锁synchronized

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简介

上篇【从入门到放弃 -Java】并发编程 - 线程安全中，我们了解到，可以通过加锁机制来保护共享对象，来实现线程安全。

synchronized 是 java 提供的一种内置的锁机制。通过 synchronized 关键字同步代码块。线程在进入同步代码块之前会自动获得锁，并在退出同步代码块时自动释放锁。内置锁是一种互斥锁。

本文来深入学习下 synchronized。

使用

同步方法

同步非静态方法

public class Synchronized {
    private static int count;

    private synchronized void add1() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Synchronized sync = new Synchronized();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync.add1();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync.add1();

            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(count);
    }
}

结果符合预期：synchronized 作用于非静态方法，锁定的是实例对象，如上所示锁的是 sync 对象，因此线程能够正确的运行，count 的结果总会是 20000。

public class Synchronized {
    private static int count;

    private synchronized void add1() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Synchronized sync = new Synchronized();
        Synchronized sync1 = new Synchronized();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync.add1();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync1.add1();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(count);
    }
}

结果不符合预期：如上所示，作用于非静态方法，锁的是实例化对象，因此当 sync 和 sync1 同时运行时，还是会出现线程安全问题，因为锁的是两个不同的实例化对象。

同步静态方法

public class Synchronized {
    private static int count;

    private static synchronized void add1() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    private static synchronized void add11() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Synchronized sync = new Synchronized();
        Synchronized sync1 = new Synchronized();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {Synchronized.add1();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {Synchronized.add11();

            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(count);
    }
}

结果符合预期：锁静态方法时，锁的是类对象。因此在不同的线程中调用 add1 和 add11 依然会得到正确的结果。

同步代码块

锁当前实例对象

public class Synchronized {
    private static int count;

    private void add1() {synchronized (this) {
            count++;
            System.out.println(count);
        }
    }

    private static synchronized void add11() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Synchronized sync = new Synchronized();
        Synchronized sync1 = new Synchronized();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync.add1();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync1.add1();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(count);
    }
}

结果不符合预期：当 synchronized 同步方法块时，锁的是实例对象时，如上示例在不同的实例中调用此方法还是会出现线程安全问题。

锁其它实例对象

public class Synchronized {
    private static int count;
    public String lock = new String();

    private void add1() {synchronized (lock) {
            count++;
            System.out.println(count);
        }
    }

    private static synchronized void add11() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Synchronized sync = new Synchronized();
        Synchronized sync1 = new Synchronized();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync.add1();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync1.add1();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(count);

        System.out.println(sync.lock == sync1.lock);
    }
}

结果不符合预期：当 synchronized 同步方法块时，锁的是其它实例对象时，如上示例在不同的实例中调用此方法还是会出现线程安全问题。

public class Synchronized {
    private static int count;
    public String lock = "";

    private void add1() {synchronized (lock) {
            count++;
            System.out.println(count);
        }
    }

    private static synchronized void add11() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Synchronized sync = new Synchronized();
        Synchronized sync1 = new Synchronized();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync.add1();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync1.add1();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(count);

        System.out.println(sync.lock == sync1.lock);
    }
}

结果符合预期：当 synchronized 同步方法块时，锁的虽然是其它实例对象时，但已上实例中，因为 String = “” 是存放在常量池中的，实际上锁的还是相同的对象，因此是线程安全的

锁类对象

public class Synchronized {
    private static int count;

    private void add1() {synchronized (Synchronized.class) {
            count++;
            System.out.println(count);
        }
    }

    private static synchronized void add11() {
        count++;
        System.out.println(count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Synchronized sync = new Synchronized();
        Synchronized sync1 = new Synchronized();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync.add1();
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i< 10000; i++) {sync1.add1();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(count);
    }
}

结果符合预期：当 synchronized 同步方法块时，锁的是类对象时，如上示例在不同的实例中调用此方法是线程安全的。

锁机制

public class Synchronized {
    private static int count;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {synchronized (Synchronized.class) {count++;}
    }
}

使用 javap -v Synchronized.class 反编译 class 文件。

可以看到 synchronized 实际上是通过 monitorenter 和 monitorexit 来实现锁机制的。同一时刻，只能有一个线程进入监视区。从而保证线程的同步。

正常情况下在指令 4 进入监视区，指令 14 退出监视区然后指令 15 直接跳到指令 23 return

但是在异常情况下异常都会跳转到指令 18，依次执行到指令 20monitorexit 释放锁，防止出现异常时未释放的情况。
这其实也是 synchronized 的优点：无论代码执行情况如何，都不会忘记主动释放锁。

想了解 Monitors 更多的原理可以点击查看

锁升级

因为 monitor 依赖操作系统的 Mutex lock 实现，是一个比较重的操作，需要切换系统至内核态，开销非常大。因此在 jdk1.6 引入了偏向锁和轻量级锁。
synchronized 有四种状态：无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁。

无锁

没有对资源进行锁定，所有线程都能访问和修改。但同时只有一个线程能修改成功

偏向锁

在锁竞争不强烈的情况下，通常一个线程会多次获取同一个锁，为了减少获取锁的代价 引入了偏向锁，会在 java 对象头中记录获取锁的线程的 threadID。

  • 当线程发现对象头的 threadID 存在时。判断与当前线程是否是同一线程。
  • 如果是则不需要再次加、解锁。
  • 如果不是，则判断 threadID 是否存活。不存活：设置为无锁状态，其他线程竞争设置偏向锁。存活：查找 threadID 堆栈信息判断是否需要继续持有锁。需要持有则升级 threadID 线程的锁为轻量级锁。不需要持有则撤销锁，设置为无锁状态等待其它线程竞争。

因为偏向锁的撤销操作还是比较重的，导致进入安全点，因此在竞争比较激烈时，会影响性能，可以使用 -XX:-UseBiasedLocking=false 禁用偏向锁。

轻量级锁

当偏向锁升级为轻量级锁时，其它线程尝试通过 CAS 方式设置对象头来获取锁。

  • 会先在当前线程的栈帧中设置 Lock Record，用于存储当前对象头中的 mark word 的拷贝。
  • 复制 mark word 的内容到 lock record，并尝试使用 cas 将 mark word 的指针指向 lock record
  • 如果替换成功，则获取偏向锁
  • 替换不成功，则会自旋重试一定次数。
  • 自旋一定次数或有新的线程来竞争锁时，轻量级锁膨胀为重量级锁。

CAS

CAS 即 compare and swap（比较并替换）。是一种乐观锁机制。通常有三个值

  • V：内存中的实际值
  • A：旧的预期值
  • B：要修改的新值
    即 V 与 A 相等时，则替换 V 为 B。即内存中的实际值与我们的预期值相等时，则替换为新值。

CAS 可能遇到 ABA 问题，即内存中的值为 A，变为 B 后，又变为了 A，此时 A 为新值，不应该替换。
可以采取：A-1，B-2，A- 3 的方式来避免这个问题

重量级锁

自旋是消耗 CPU 的，因此在自旋一段时间，或者一个线程在自旋时，又有新的线程来竞争锁，则轻量级锁会膨胀为重量级锁。
重量级锁，通过 monitor 实现，monitor 底层实际是依赖操作系统的 mutex lock（互斥锁）实现。
需要从用户态，切换为内核态，成本比较高

总结

本文我们一起学习了

  • synchronized 的几种用法：同步方法、同步代码块。实际上是同步类或同步实例对象。
  • 锁升级：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁以及其膨胀过程。

synchronized 作为内置锁，虽然帮我们解决了线程安全问题，但是带来了性能的损失，因此一定不能滥用。使用时请注意同步块的作用范围。通常，作用范围越小，对性能的影响也就越小（注意权衡获取、释放锁的成本，不能为了缩小作用范围，而频繁的获取、释放）。

本文作者：aloof_

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正文完
同步 并发编程 线程 锁
发表至： java
2019-07-22
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