前言

線程安全是并發(fā)編程中的重要關(guān)注點(diǎn)。

造成線程安全問題的主要誘因有兩點(diǎn)，一是存在共享數(shù)據(jù)(也稱臨界資源)，二是存在多條線程共同操作共享數(shù)據(jù)。

為了解決這個(gè)問題，我們可能需要這樣一個(gè)方案，當(dāng)存在多個(gè)線程操作共享數(shù)據(jù)時(shí)，需要保證同一時(shí)刻有且只有一個(gè)線程在操作共享數(shù)據(jù)，其他線程必須等到該線程處理完數(shù)據(jù)后再進(jìn)行。

在 Java 中，關(guān)鍵字 Synchronized可以保證在同一個(gè)時(shí)刻，只有一個(gè)線程可以執(zhí)行某個(gè)方法或者某個(gè)代碼塊(主要是對方法或者代碼塊中存在共享數(shù)據(jù)的操作)。

下面來一起探索Synchronized的基本使用、實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

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面試題來自：社招一年半面經(jīng)分享(含阿里美團(tuán)頭條京東滴滴)

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用法

兩類鎖：

對象鎖：包括方法鎖（默認(rèn)鎖對象為this當(dāng)前實(shí)例對象）和同步代碼塊鎖（自己指定鎖對象）。

類鎖：指Synchronized修飾靜態(tài)的方法或指定鎖為Class對象。

當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問同步代碼塊時(shí)，它首先必須得到鎖，而退出或拋出異常時(shí)必須釋放鎖。

• 給普通方法加鎖時(shí)，上鎖的對象是 this；

• 給靜態(tài)方法加鎖時(shí)，鎖的是 class 對象；

• 給代碼塊加鎖，可以指定一個(gè)具體的對象作為鎖。

代碼示例如下：

public class SynchronizedTest {

    /**
     * 修飾靜態(tài)方法, 等同于下面注釋的方法
     */
    public synchronized static void test1() {
        System.out.println("月伴飛魚");
    }


//    public static void test1() {
//        synchronized (SynchronizedTest.class){
//            System.out.println("月伴飛魚");
//        }
//    }


    /**
     * 修飾實(shí)例方法, 等同于下面注釋的方法
     */
    public synchronized void test2(){
        System.out.println("月伴飛魚");
    }

//    public void test2(){
//        synchronized (this){
//            System.out.println("月伴飛魚");
//        }
//    }

    /**
     * 修飾代碼塊
     */
    public void test3(){
        synchronized (this){
            System.out.println("月伴飛魚");
        }
    }

}

多線程訪問同步方法的幾種情況：

兩個(gè)線程同時(shí)訪問一個(gè)對象的同步方法。

由于同步方法鎖使用的是this對象鎖，同一個(gè)對象的this鎖只有一把，兩個(gè)線程同一時(shí)間只能有一個(gè)線程持有該鎖，所以該方法將會串行運(yùn)行。

兩個(gè)線程訪問的是兩個(gè)對象的同步方法。

由于兩個(gè)對象的this鎖互不影響，Synchronized將不會起作用，所以該方法將會并行運(yùn)行。

兩個(gè)線程訪問的是Synchronized的靜態(tài)方法。

Synchronized修飾的靜態(tài)方法獲取的是當(dāng)前類模板對象的鎖，該鎖只有一把，無論訪問多少個(gè)該類對象的方法，都將串行執(zhí)行。

同時(shí)訪問同步方法與非同步方法

非同步方法不受影響。

訪問同一個(gè)對象的不同的普通同步方法。

由于this對象鎖只有一個(gè)，不同線程訪問多個(gè)普通同步方法將串行運(yùn)行。

同時(shí)訪問靜態(tài)Synchronized和非靜態(tài)Synchronized方法

靜態(tài)Synchronized方法的鎖為class對象的鎖，非靜態(tài)Synchronized方法鎖為this的鎖，它們不是同一個(gè)鎖，所以它們將并行運(yùn)行。

使用優(yōu)化

大家在使用synchronized關(guān)鍵字的時(shí)候，可能經(jīng)常會這么寫：

synchronized (this) {
  ...
}

它的作用域是當(dāng)前對象，鎖的就是當(dāng)前對象，誰拿到這個(gè)鎖誰就可以運(yùn)行它所控制的代碼。

當(dāng)有一個(gè)明確的對象作為鎖時(shí)，就可以這么寫，但是當(dāng)沒有一個(gè)明確的對象作為鎖，只想讓一段代碼同步時(shí)，可以創(chuàng)建一個(gè)特殊的變量（對象）來充當(dāng)鎖：

public class Demo {
    private final Object lock = new Object();

    public void methonA() {
      synchronized (lock) {
        ...
      }
    }
}

這樣寫沒問題。但是用new Object()作為鎖對象是否是一個(gè)最佳選擇呢？

我在StackOverFlow看到這么一篇文章：object-vs-byte0-as-lock

大意就是用new byte[0]作為鎖對象更好，會減少字節(jié)碼操作的次數(shù)。

public class Demo {
    private final byte[] lock = new byte[0];
}

具體細(xì)節(jié)大家，可以看看這篇文章，算提供一種思路吧！

實(shí)現(xiàn)原理

因?yàn)镾ynchronized鎖的是對象，在講解原理之前先介紹下對象結(jié)構(gòu)相關(guān)知識。

HotSpot虛擬機(jī)中，對象在內(nèi)存中存儲的布局可以分為三塊區(qū)域：對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對齊填充。

對象頭

對象頭包括兩部分信息：運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)Mark Word和類型指針

如果對象是數(shù)組對象，那么對象頭占用3個(gè)字寬（Word）(需要記錄數(shù)組長度)，如果對象是非數(shù)組對象，那么對象頭占用2個(gè)字寬（1word = 2Byte = 16bit）

對象頭的類型指針指向該對象的類元數(shù)據(jù)，虛擬機(jī)通過這個(gè)指針可以確定該對象是哪個(gè)類的實(shí)例

Mark Word

用于存儲對象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)， 如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等等，它是實(shí)現(xiàn)輕量級鎖和偏向鎖的關(guān)鍵。

這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長度在32位和64位的虛擬機(jī)（暫不考慮開啟壓縮指針的場景）中分別為32個(gè)和64個(gè)Bits。

Synchronized鎖對象就存儲在MarkWord中，下面是MarkWord的布局：

32位虛擬機(jī)

實(shí)例數(shù)據(jù)

實(shí)例數(shù)據(jù)就是在程序代碼中所定義的各種類型的字段，包括從父類繼承的

對齊填充

由于HotSpot的自動(dòng)內(nèi)存管理要求對象的起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，即對象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，對象頭的數(shù)據(jù)正好是8的整數(shù)倍，所以當(dāng)實(shí)例數(shù)據(jù)不夠8字節(jié)整數(shù)倍時(shí)，需要通過對齊填充進(jìn)行補(bǔ)全

意思是每次分配的內(nèi)存大小一定是8的倍數(shù)，如果對象頭+實(shí)例數(shù)據(jù)的值不是8的倍數(shù)，那么會重新計(jì)算一個(gè)較大值，進(jìn)行分配

底層實(shí)現(xiàn)

下面的代碼，在命令行執(zhí)行 javac，然后再執(zhí)行javap -v -p，就可以看到它具體的字節(jié)碼。

可以看到，在字節(jié)碼的體現(xiàn)上，它只給方法加了一個(gè) flag：ACC_SYNCHRONIZED。

synchronized void syncMethod() {
        System.out.println("syncMethod");
}

synchronized void syncMethod();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #4
         3: ldc           #5
         5: invokevirtual #6
         8: return

我們再來看下同步代碼塊的字節(jié)碼。可以看到，字節(jié)碼是通過 monitorenter 和monitorexit 兩個(gè)指令進(jìn)行控制的。

void syncBlock(){
    synchronized (Test.class){
    }
}

void syncBlock();
    descriptor: ()V
    flags:
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2 
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter
         5: aload_1
         6: monitorexit // 兩個(gè)monitorexit是表示正常退出和異常退出的場景
         7: goto          15
        10: astore_2
        11: aload_1
        12: monitorexit
        13: aload_2
        14: athrow
        15: return
      Exception table:
         from    to  target type
             5     7    10   any
            10    13    10   any

這兩者雖然顯示效果不同，但他們都是通過 monitor 來實(shí)現(xiàn)同步的。

其中在Java虛擬機(jī)（HotSpot）中，Monitor是由ObjectMonitor實(shí)現(xiàn)的，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下（位于HotSpot虛擬機(jī)源碼ObjectMonitor.hpp文件，C++實(shí)現(xiàn)的）：

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; // 用來記錄該對象被線程獲取鎖的次數(shù)，這也說明了synchronized是可重入的
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;  // 指向持有ObjectMonitor對象的線程
    _WaitSet      = NULL;  // 處于wait狀態(tài)的線程，會被加入到_WaitSet，調(diào)用了wait方法之后會進(jìn)入這里
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; // 處于等待鎖block狀態(tài)的線程，會被加入到該列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

每個(gè) Java 對象在 JVM 的對等對象的頭中保存鎖狀態(tài)，指向 ObjectMonitor。

ObjectMonitor 保存了當(dāng)前持有鎖的線程引用，EntryList 中保存目前等待獲取鎖的線程，WaitSet 保存 wait 的線程。

還有一個(gè)計(jì)數(shù)器count，每當(dāng)線程獲得 monitor 鎖，計(jì)數(shù)器 +1，當(dāng)線程重入此鎖時(shí)，計(jì)數(shù)器還會 +1。當(dāng)計(jì)數(shù)器不為 0 時(shí)，其它嘗試獲取 monitor 鎖的線程將會被保存到EntryList中，并被阻塞。

當(dāng)持有鎖的線程釋放了monitor 鎖后，計(jì)數(shù)器 -1。當(dāng)計(jì)數(shù)器歸位為 0 時(shí)，所有 EntryList 中的線程會嘗試去獲取鎖，但只會有一個(gè)線程會成功，沒有成功的線程仍舊保存在 EntryList 中。

詳細(xì)流程：

1. 加鎖時(shí)，即遇到Synchronized關(guān)鍵字時(shí)，線程會先進(jìn)入monitor的_EntryList隊(duì)列阻塞等待。
2. 如果monitor的_owner為空，則從隊(duì)列中移出并賦值與_owner。
3. 如果在程序里調(diào)用了wait()方法，則該線程進(jìn)入_WaitSet隊(duì)列。我們都知道wait方法會釋放monitor鎖，即將_owner賦值為null并進(jìn)入_WaitSet隊(duì)列阻塞等待。這時(shí)其他在_EntryList中的線程就可以獲取鎖了。
4. 當(dāng)程序里其他線程調(diào)用了notify/notifyAll方法時(shí)，就會喚醒_WaitSet中的某個(gè)線程，這個(gè)線程就會再次嘗試獲取monitor鎖。如果成功，則就會成為monitor的owner。
5. 當(dāng)程序里遇到Synchronized關(guān)鍵字的作用范圍結(jié)束時(shí)，就會將monitor的owner設(shè)為null，退出。

Java對象如何與Monitor關(guān)聯(lián)

鎖優(yōu)化

相比于 JDK 1.5，在 JDK 1.6 中 HotSopt 虛擬機(jī)對 Synchronized 內(nèi)置鎖的性能進(jìn)行了很多優(yōu)化，包括自適應(yīng)的自旋、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級鎖等。

自適應(yīng)的自旋鎖

在 JDK 1.6 中引入了自適應(yīng)的自旋鎖來解決長時(shí)間自旋的問題。

比如，如果最近嘗試自旋獲取某一把鎖成功了，那么下一次可能還會繼續(xù)使用自旋，并且允許自旋更長的時(shí)間；但是如果最近自旋獲取某一把鎖失敗了，那么可能會省略掉自旋的過程，以便減少無用的自旋，提高效率。

鎖消除

經(jīng)過逃逸分析之后，如果發(fā)現(xiàn)某些對象不可能被其他線程訪問到，那么就可以把它們當(dāng)成棧上數(shù)據(jù)，棧上數(shù)據(jù)由于只有本線程可以訪問，自然是線程安全的，也就無需加鎖，所以會把這樣的鎖給自動(dòng)去除掉。

鎖粗化

按理來說，同步塊的作用范圍應(yīng)該盡可能小，僅在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步，這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小，縮短阻塞時(shí)間，如果存在鎖競爭，那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。

但是加鎖解鎖也需要消耗資源，如果存在一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作，可能會導(dǎo)致不必要的性能損耗。

鎖粗化就是將多個(gè)連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起，擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖，避免頻繁的加鎖解鎖操作。

偏向鎖/輕量級鎖/重量級鎖

JVM 默認(rèn)會優(yōu)先使用偏向鎖，如果有必要的話才逐步升級，這大幅提高了鎖的性能。

鎖升級

鎖的狀態(tài)總共有四種，無鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖

隨著鎖的競爭，鎖可以從偏向鎖升級到輕量級鎖，再升級的重量級鎖，但是鎖的升級是單向的，也就是說只能從低到高升級，不會出現(xiàn)鎖的降級

從JDK 1.6中默認(rèn)是開啟偏向鎖，可以通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖

偏向鎖

在只有一個(gè)線程使用了鎖的情況下，偏向鎖能夠保證更高的效率。

具體過程是這樣的：當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線程第一次訪問同步塊時(shí)，會先檢測對象頭 Mark Word 中的標(biāo)志位 Tag 是否為 01，以此判斷此時(shí)對象鎖是否處于無鎖狀態(tài)或者偏向鎖狀態(tài)。

線程一旦獲取了這把鎖，就會把自己的線程 ID 寫到 MarkWord 中，在其他線程來獲取這把鎖之前，鎖都處于偏向鎖狀態(tài)。

當(dāng)下一個(gè)線程參與到偏向鎖競爭時(shí)，會先判斷 MarkWord 中保存的線程 ID 是否與這個(gè)線程 ID 相等，如果不相等，會立即撤銷偏向鎖，升級為輕量級鎖。

輕量級鎖

當(dāng)鎖處于輕量級鎖的狀態(tài)時(shí)，就不能夠再通過簡單地對比標(biāo)志位 Tag 的值進(jìn)行判斷，每次對鎖的獲取，都需要通過自旋。

當(dāng)然，自旋也是面向不存在鎖競爭的場景，比如一個(gè)線程運(yùn)行完了，另外一個(gè)線程去獲取這把鎖；但如果自旋失敗達(dá)到一定的次數(shù)，鎖就會膨脹為重量級鎖。

重量級鎖

重量級鎖，這種情況下，線程會掛起，進(jìn)入到操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)，等待操作系統(tǒng)的調(diào)度，然后再映射回用戶態(tài)。系統(tǒng)調(diào)用是昂貴的，所以重量級鎖的名稱由此而來。

如果系統(tǒng)的共享變量競爭非常激烈，鎖會迅速膨脹到重量級鎖，這些優(yōu)化就名存實(shí)亡。

如果并發(fā)非常嚴(yán)重，可以通過參數(shù)-XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向鎖，理論上會有一些性能提升，但實(shí)際上并不確定。

常見面試題

Synchronized和Lock的區(qū)別：

• Synchronized屬于JVM層面，底層通過 monitorenter 和 monitorexit 兩個(gè)指令實(shí)現(xiàn)，Lock是API層面的東西，JUC提供的具體類
• Synchronized不需要用戶手動(dòng)釋放鎖，當(dāng)Synchronized代碼執(zhí)行完畢之后會自動(dòng)讓線程釋放持有的鎖，Lock需要一般使用try-finally模式去手動(dòng)釋放鎖
• Synchronized是不可中斷的，除非拋出異常或者程序正常退出，Lock可中斷，使用lockInterruptibly，調(diào)用interrupt方法可中斷
• Synchronized是非公平鎖，Lock默認(rèn)是非公平鎖，但是可以通過構(gòu)造函數(shù)傳入boolean類型值更改是否為公平鎖
• 鎖是否能綁定多個(gè)條件，Synchronized沒有condition的說法，要么喚醒所有線程，要么隨機(jī)喚醒一個(gè)線程，Lock可以使用condition實(shí)現(xiàn)分組喚醒需要喚醒的線程，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)喚醒
• Synchronized 鎖只能同時(shí)被一個(gè)線程擁有，但是 Lock 鎖沒有這個(gè)限制，例如在讀寫鎖中的讀鎖，是可以同時(shí)被多個(gè)線程持有的，可是 Synchronized做不到
• 性能區(qū)別：在 Java 5 以及之前Synchronized的性能比較低，但是到了 Java 6 以后 JDK 對 Synchronized 進(jìn)行了很多優(yōu)化，比如自適應(yīng)自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖、偏向鎖等

最后

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