13 張圖,深入理解干翻 Synchronized

前言

分享一篇優(yōu)質(zhì)文章給你。

本文帶讀者們由淺入深理解Synchronized，讓讀者們也能與面試官瘋狂對線，同時寫出高性能的代碼和架構(gòu)。

在并發(fā)編程中Synchronized一直都是元老級的角色，Jdk 1.6以前大家都稱呼它為重量級鎖，相對于J U C包提供的Lock，它會顯得笨重，不過隨著Jdk 1.6對Synchronized進(jìn)行各種優(yōu)化后，Synchronized性能已經(jīng)非?？炝?。

內(nèi)容大綱 Synchronized使用方式

Synchronized是Java提供的同步關(guān)鍵字，在多線程場景下，對共享資源代碼段進(jìn)行讀寫操作（必須包含寫操作，光讀不會有線程安全問題，因為讀操作天然具備線程安全特性），可能會出現(xiàn)線程安全問題，我們可以使用Synchronized鎖定共享資源代碼段，達(dá)到互斥（mutualexclusion）效果，保證線程安全。

共享資源代碼段又稱為臨界區(qū)（critical section），保證臨界區(qū)互斥，是指執(zhí)行臨界區(qū)（critical section）的只能有一個線程執(zhí)行，其他線程阻塞等待，達(dá)到排隊效果。

Synchronized的食用方式有三種

• 修飾普通函數(shù)，監(jiān)視器鎖（monitor）便是對象實(shí)例（this）
• 修飾靜態(tài)靜態(tài)函數(shù)，視器鎖（monitor）便是對象的Class實(shí)例（每個對象只有一個Class實(shí)例）
• 修飾代碼塊，監(jiān)視器鎖（monitor）是指定對象實(shí)例

普通函數(shù)

普通函數(shù)使用Synchronized的方式很簡單，在訪問權(quán)限修飾符與函數(shù)返回類型間加上Synchronized。

多線程場景下，thread與threadTwo兩個線程執(zhí)行incr函數(shù)，incr函數(shù)作為共享資源代碼段被多線程讀寫操作，我們將它稱為臨界區(qū)，為了保證臨界區(qū)互斥，使用Synchronized修飾incr函數(shù)即可。

      
      public?class?SyncTest?{

????private?int?j?=?0;
????
????/**
?????*?自增方法
?????*/
????public?synchronized?void?incr(){
????????//臨界區(qū)代碼--start
????????for?(int?i?=?0;?i?<?10000;?i++)?{
????????????j++;
????????}
????????//臨界區(qū)代碼--end
????}

????public?int?getJ()?{
????????return?j;
????}
}

public?class?SyncMain?{

????public?static?void?main(String[]?agrs)?throws?InterruptedException?{
????????SyncTest?syncTest?=?new?SyncTest();
????????Thread?thread?=?new?Thread(()?->?syncTest.incr());
????????Thread?threadTwo?=?new?Thread(()?->?syncTest.incr());
????????thread.start();
????????threadTwo.start();
????????thread.join();
????????threadTwo.join();
????????//最終打印結(jié)果是20000，如果不使用synchronized修飾，就會導(dǎo)致線程安全問題，輸出不確定結(jié)果
????????System.out.println(syncTest.getJ());
????}

}


    

代碼十分簡單，incr函數(shù)被synchronized修飾，函數(shù)邏輯是對j進(jìn)行10000次累加，兩個線程執(zhí)行incr函數(shù)，最后輸出j結(jié)果。

被synchronized修飾函數(shù)我們簡稱同步函數(shù)，線程執(zhí)行稱同步函數(shù)前，需要先獲取監(jiān)視器鎖，簡稱鎖，獲取鎖成功才能執(zhí)行同步函數(shù)，同步函數(shù)執(zhí)行完后，線程會釋放鎖并通知喚醒其他線程獲取鎖，獲取鎖失敗「則阻塞并等待通知喚醒該線程重新獲取鎖」，同步函數(shù)會以this作為鎖，即當(dāng)前對象，以上面的代碼段為例就是syncTest對象。

• 線程thread執(zhí)行syncTest.incr()前
• 線程thread獲取鎖成功
• 線程threadTwo執(zhí)行syncTest.incr()前
• 線程threadTwo獲取鎖失敗
• 線程threadTwo阻塞并等待喚醒
• 線程thread執(zhí)行完syncTest.incr()，j累積到10000
• 線程thread釋放鎖，通知喚醒threadTwo線程獲取鎖
• 線程threadTwo獲取鎖成功
• 線程threadTwo執(zhí)行完syncTest.incr()，j累積到20000
• 線程threadTwo釋放鎖

靜態(tài)函數(shù)

靜態(tài)函數(shù)顧名思義，就是靜態(tài)的函數(shù)，它使用Synchronized的方式與普通函數(shù)一致，唯一的區(qū)別是鎖的對象不再是this，而是Class對象。

多線程執(zhí)行Synchronized修飾靜態(tài)函數(shù)代碼段如下。

      
      public?class?SyncTest?{

????private?static?int?j?=?0;
????
????/**
?????*?自增方法
?????*/
????public?static?synchronized?void?incr(){
????????//臨界區(qū)代碼--start
????????for?(int?i?=?0;?i?<?10000;?i++)?{
????????????j++;
????????}
????????//臨界區(qū)代碼--end
????}

????public?static?int?getJ()?{
????????return?j;
????}
}

public?class?SyncMain?{

????public?static?void?main(String[]?agrs)?throws?InterruptedException?{
????????Thread?thread?=?new?Thread(()?->?SyncTest.incr());
????????Thread?threadTwo?=?new?Thread(()?->?SyncTest.incr());
????????thread.start();
????????threadTwo.start();
????????thread.join();
????????threadTwo.join();
????????//最終打印結(jié)果是20000，如果不使用synchronized修飾，就會導(dǎo)致線程安全問題，輸出不確定結(jié)果
????????System.out.println(SyncTest.getJ());
????}

}


    

Java的靜態(tài)資源可以直接通過類名調(diào)用，靜態(tài)資源不屬于任何實(shí)例對象，它只屬于Class對象，每個Class在J V M中只有唯一的一個Class對象，所以同步靜態(tài)函數(shù)會以Class對象作為鎖，后續(xù)獲取鎖、釋放鎖流程都一致。

代碼塊

前面介紹的普通函數(shù)與靜態(tài)函數(shù)粒度都比較大，以整個函數(shù)為范圍鎖定，現(xiàn)在想把范圍縮小、靈活配置，就需要使用代碼塊了，使用{}符號定義范圍給Synchronized修飾。

下面代碼中定義了syncDbData函數(shù)，syncDbData是一個偽同步數(shù)據(jù)的函數(shù)，耗時2秒，并且邏輯不涉及共享資源讀寫操作（非臨界區(qū)），另外還有兩個函數(shù)incr與incrTwo，都是在自增邏輯前執(zhí)行了syncDbData函數(shù)，只是使用Synchronized的姿勢不同，一個是修飾在函數(shù)上，另一個是修飾在代碼塊上。

      
      public?class?SyncTest?{

????private?static?int?j?=?0;


????/**
?????*?同步庫數(shù)據(jù)，比較耗時，代碼資源不涉及共享資源讀寫操作。
?????*/
????public?void?syncDbData()?{
????????System.out.println("db數(shù)據(jù)開始同步------------");
????????try?{
????????????//同步時間需要2秒
????????????Thread.sleep(2000);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????System.out.println("db數(shù)據(jù)開始同步完成------------");
????}

????//自增方法
????public?synchronized?void?incr()?{
????????//start--臨界區(qū)代碼
????????//同步庫數(shù)據(jù)
????????syncDbData();
????????for?(int?i?=?0;?i?<?10000;?i++)?{
????????????j++;
????????}
????????//end--臨界區(qū)代碼
????}

????//自增方法
????public?void?incrTwo()?{
????????//同步庫數(shù)據(jù)
????????syncDbData();
????????synchronized?(this)?{
????????????//start--臨界區(qū)代碼
????????????for?(int?i?=?0;?i?<?10000;?i++)?{
????????????????j++;
????????????}
????????????//end--臨界區(qū)代碼
????????}

????}

????public?int?getJ()?{
????????return?j;
????}

}


public?class?SyncMain?{

????public?static?void?main(String[]?agrs)?throws?InterruptedException?{
????????//incr同步方法執(zhí)行
????????SyncTest?syncTest?=?new?SyncTest();
????????Thread?thread?=?new?Thread(()?->?syncTest.incr());
????????Thread?threadTwo?=?new?Thread(()?->?syncTest.incr());
????????thread.start();
????????threadTwo.start();
????????thread.join();
????????threadTwo.join();
????????//最終打印結(jié)果是20000
????????System.out.println(syncTest.getJ());

????????//incrTwo同步塊執(zhí)行
????????thread?=?new?Thread(()?->?syncTest.incrTwo());
????????threadTwo?=?new?Thread(()?->?syncTest.incrTwo());
????????thread.start();
????????threadTwo.start();
????????thread.join();
????????threadTwo.join();
????????//最終打印結(jié)果是40000
????????System.out.println(syncTest.getJ());
????}

}


    

先看看incr同步方法執(zhí)行，流程和前面沒區(qū)別，只是Synchronized鎖定的范圍太大，把syncDbData()也納入臨界區(qū)中，多線程場景執(zhí)行，會有性能上的浪費(fèi)，因為syncDbData()完全可以讓多線程并行或并發(fā)執(zhí)行。

我們通過代碼塊的方式，來縮小范圍，定義正確的臨界區(qū)，提升性能，目光轉(zhuǎn)到incrTwo同步塊執(zhí)行，incrTwo函數(shù)使用修飾代碼塊的方式同步，只對自增代碼段進(jìn)行鎖定。

代碼塊同步方式除了靈活控制范圍外，還能做線程間的協(xié)同工作，因為Synchronized ()括號中能接收任何對象作為鎖，所以可以通過Object的wait、notify、notifyAll等函數(shù)，做多線程間的通信協(xié)同（本文不對線程通信協(xié)同做展開，主角是Synchronized，而且也不推薦去用這些方法，因為LockSupport工具類會是更好的選擇）。

• wait：當(dāng)前線程暫停，釋放鎖
• notify：釋放鎖，喚醒調(diào)用了wait的線程（如果有多個隨機(jī)喚醒一個）
• notifyAll：釋放鎖，喚醒調(diào)用了wait的所有線程

Synchronized原理

      
      ??public?class?SyncTest?{

????private?static?int?j?=?0;


????/**
?????*?同步庫數(shù)據(jù)，比較耗時，代碼資源不涉及共享資源讀寫操作。
?????*/
????public?void?syncDbData()?{
????????System.out.println("db數(shù)據(jù)開始同步------------");
????????try?{
????????????//同步時間需要2秒
????????????Thread.sleep(2000);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????System.out.println("db數(shù)據(jù)開始同步完成------------");
????}

????//自增方法
????public?synchronized?void?incr()?{
????????//start--臨界區(qū)代碼
????????//同步庫數(shù)據(jù)
????????syncDbData();
????????for?(int?i?=?0;?i?<?10000;?i++)?{
????????????j++;
????????}
????????//end--臨界區(qū)代碼
????}

????//自增方法
????public?void?incrTwo()?{
????????//同步庫數(shù)據(jù)
????????syncDbData();
????????synchronized?(this)?{
????????????//start--臨界區(qū)代碼
????????????for?(int?i?=?0;?i?<?10000;?i++)?{
????????????????j++;
????????????}
????????????//end--臨界區(qū)代碼
????????}

????}

????public?int?getJ()?{
????????return?j;
????}

}?

    

為了探究Synchronized原理，我們對上面的代碼進(jìn)行反編譯，輸出反編譯后結(jié)果，看看底層是如何實(shí)現(xiàn)的（環(huán)境Java 11、win 10系統(tǒng)）。

      
      ??只截取了incr與incrTwo函數(shù)內(nèi)容
????????
??public?synchronized?void?incr();
????Code:
???????0:?aload_0?????????????????????????????????????????
???????1:?invokevirtual?#11?????????????????//?Method?syncDbData:()V?
???????4:?iconst_0??????????????????????????
???????5:?istore_1??????????????????????????
???????6:?iload_1?????????????????????????????????????
???????7:?sipush????????10000???????????????
??????10:?if_icmpge?????27
??????13:?getstatic?????#12?????????????????//?Field?j:I
??????16:?iconst_1
??????17:?iadd
??????18:?putstatic?????#12?????????????????//?Field?j:I
??????21:?iinc??????????1,?1
??????24:?goto??????????6
??????27:?return

??public?void?incrTwo();????
????Code:
???????0:?aload_0
???????1:?invokevirtual?#11?????????????????//?Method?syncDbData:()V
???????4:?aload_0
???????5:?dup
???????6:?astore_1
???????7:?monitorenter?????????????????????//獲取鎖
???????8:?iconst_0
???????9:?istore_2
??????10:?iload_2
??????11:?sipush????????10000
??????14:?if_icmpge?????31
??????17:?getstatic?????#12?????????????????//?Field?j:I
??????20:?iconst_1
??????21:?iadd
??????22:?putstatic?????#12?????????????????//?Field?j:I
??????25:?iinc??????????2,?1
??????28:?goto??????????10
??????31:?aload_1
??????32:?monitorexit??????????????????????//正常退出釋放鎖?
??????33:?goto??????????41
??????36:?astore_3
??????37:?aload_1
??????38:?monitorexit??????????????????????//異步退出釋放鎖????
??????39:?aload_3
??????40:?athrow
??????41:?return


    

ps:對上面指令感興趣的讀者，可以百度或google一下“JVM 虛擬機(jī)字節(jié)碼指令表”

先看incrTwo函數(shù)，incrTwo是代碼塊方式同步，在反編譯后的結(jié)果中，我們發(fā)現(xiàn)存在monitorenter與monitorexit指令（獲取鎖、釋放鎖）。

monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置，monitorexit指令插入到同步代碼塊的結(jié)束位置，J V M需要保證每一個 monitorenter都有monitorexit與之對應(yīng)。

任何對象都有一個監(jiān)視器鎖（monitor）關(guān)聯(lián)，線程執(zhí)行monitorenter指令時嘗試獲取monitor的所有權(quán)。

• 如果monitor的進(jìn)入數(shù)為0，則該線程進(jìn)入monitor，然后將進(jìn)入數(shù)設(shè)置為1，該線程為monitor的所有者
• 如果線程已經(jīng)占有該monitor，重新進(jìn)入，則monitor的進(jìn)入數(shù)加1
• 線程執(zhí)行monitorexit，monitor的進(jìn)入數(shù)-1，執(zhí)行過多少次monitorenter，最終要執(zhí)行對應(yīng)次數(shù)的monitorexit
• 如果其他線程已經(jīng)占用monitor，則該線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到monitor的進(jìn)入數(shù)為0，再重新嘗試獲取monitor的所有權(quán)

回過頭看incr函數(shù)，incr是普通函數(shù)方式同步，雖然在反編譯后的結(jié)果中沒有看到monitorenter與monitorexit指令，但是實(shí)際執(zhí)行的流程與incrTwo函數(shù)一樣，通過monitor來執(zhí)行，只不過它是一種隱式的方式來實(shí)現(xiàn)，最后放一張流程圖。

Synchronized優(yōu)化

Jdk 1.5以后對Synchronized關(guān)鍵字做了各種的優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后Synchronized已經(jīng)變得原來越快了，這也是為什么官方建議使用Synchronized的原因，具體的優(yōu)化點(diǎn)如下。

• 鎖粗化
• 鎖消除
• 鎖升級

鎖粗化

互斥的臨界區(qū)范圍應(yīng)該盡可能小，這樣做的目的是為了使同步的操作數(shù)量盡可能縮小，縮短阻塞時間，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「多個連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起」，擴(kuò)展成一個范圍更大的鎖，避免頻繁的加鎖解鎖操作。

J V M會檢測到一連串的操作都對同一個對象加鎖（for循環(huán)10000次執(zhí)行j++，沒有鎖粗化就要進(jìn)行10000次加鎖/解鎖），此時J V M就會將加鎖的范圍粗化到這一連串操作的外部（比如for循環(huán)體外），使得這一連串操作只需要加一次鎖即可。

鎖消除

Java虛擬機(jī)在JIT編譯時(可以簡單理解為當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時進(jìn)行編譯，又稱即時編譯)，通過對運(yùn)行上下文的掃描，經(jīng)過逃逸分析（對象在函數(shù)中被使用，也可能被外部函數(shù)所引用，稱為函數(shù)逃逸），去除不可能存在共享資源競爭的鎖，通過這種方式消除沒有必要的鎖，可以節(jié)省毫無意義的時間消耗。

代碼中使用Object作為鎖，但是Object對象的生命周期只在incrFour()函數(shù)中，并不會被其他線程所訪問到，所以在J I T編譯階段就會被優(yōu)化掉（此處的Object屬于沒有逃逸的對象）。

鎖升級

Java中每個對象都擁有對象頭，對象頭由Mark World 、指向類的指針、以及數(shù)組長度三部分組成，本文，我們只需要關(guān)心Mark World 即可，Mark World ?記錄了對象的HashCode、分代年齡和鎖標(biāo)志位信息。

Mark World簡化結(jié)構(gòu)

鎖狀態(tài)	存儲內(nèi)容	鎖標(biāo)記
無鎖	對象的hashCode、對象分代年齡、是否是偏向鎖（0）	01
偏向鎖	偏向線程ID、偏向時間戳、對象分代年齡、是否是偏向鎖（1）	01
輕量級鎖	指向棧中鎖記錄的指針	00
重量級鎖	指向互斥量（重量級鎖）的指針	10

讀者們只需知道，鎖的升級變化，體現(xiàn)在鎖對象的對象頭Mark World部分，也就是說Mark World的內(nèi)容會隨著鎖升級而改變。

Java1.5以后為了減少獲取鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，引入了偏向鎖和輕量級鎖，Synchronized的升級順序是 「無鎖-->偏向鎖-->輕量級鎖-->重量級鎖，只會升級不會降級」

偏向鎖

在大多數(shù)情況下，鎖總是由同一線程多次獲得，不存在多線程競爭，所以出現(xiàn)了偏向鎖，其目標(biāo)就是在只有一個線程執(zhí)行同步代碼塊時，降低獲取鎖帶來的消耗，提高性能（可以通過J V M參數(shù)關(guān)閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking=false，關(guān)閉之后程序默認(rèn)會進(jìn)入輕量級鎖狀態(tài)）。

線程執(zhí)行同步代碼或方法前，線程只需要判斷對象頭的Mark Word中線程ID與當(dāng)前線程ID是否一致，如果一致直接執(zhí)行同步代碼或方法，具體流程如下

• 無鎖狀態(tài)，存儲內(nèi)容「是否為偏向鎖（0）」，鎖標(biāo)識位01
  • CAS設(shè)置當(dāng)前線程ID到Mark Word存儲內(nèi)容中
  • 是否為偏向鎖0 => 是否為偏向鎖1
  • 執(zhí)行同步代碼或方法
• 偏向鎖狀態(tài)，存儲內(nèi)容「是否為偏向鎖（1）、線程ID」，鎖標(biāo)識位01
  • 對比線程ID是否一致，如果一致執(zhí)行同步代碼或方法，否則進(jìn)入下面的流程
  • 如果不一致，CAS將Mark Word的線程ID設(shè)置為當(dāng)前線程ID，設(shè)置成功，執(zhí)行同步代碼或方法，否則進(jìn)入下面的流程
  • CAS設(shè)置失敗，證明存在多線程競爭情況，觸發(fā)撤銷偏向鎖，當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)，偏向鎖的線程被掛起，偏向鎖升級為輕量級鎖，然后在安全點(diǎn)的位置恢復(fù)繼續(xù)往下執(zhí)行。

輕量級鎖

輕量級鎖考慮的是競爭鎖對象的線程不多，持有鎖時間也不長的場景。因為阻塞線程需要C P U從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，代價較大，如果剛剛阻塞不久這個鎖就被釋放了，那這個代價就有點(diǎn)得不償失，所以干脆不阻塞這個線程，讓它自旋一段時間等待鎖釋放。

當(dāng)前線程持有的鎖是偏向鎖的時候，被另外的線程所訪問，偏向鎖就會升級為輕量級鎖，其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會阻塞，從而提高性能。輕量級鎖的獲取主要有兩種情況：① 當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能時；② 多個線程競爭偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級為輕量級鎖。

• 無鎖狀態(tài)，存儲內(nèi)容「是否為偏向鎖（0）」，鎖標(biāo)識位01
  • 關(guān)閉偏向鎖功能時
  • CAS設(shè)置當(dāng)前線程棧中鎖記錄的指針到Mark Word存儲內(nèi)容
  • 鎖標(biāo)識位設(shè)置為00
  • 執(zhí)行同步代碼或方法
  • 釋放鎖時，還原來Mark Word內(nèi)容
• 輕量級鎖狀態(tài)，存儲內(nèi)容「線程棧中鎖記錄的指針」，鎖標(biāo)識位00（存儲內(nèi)容的線程是指"持有輕量級鎖的線程"）
  • CAS設(shè)置當(dāng)前線程棧中鎖記錄的指針到Mark Word存儲內(nèi)容，設(shè)置成功獲取輕量級鎖，執(zhí)行同步塊代碼或方法，否則執(zhí)行下面的邏輯
  • 設(shè)置失敗，證明多線程存在一定競爭，線程自旋上一步的操作，自旋一定次數(shù)后還是失敗，輕量級鎖升級為重量級鎖
  • Mark Word存儲內(nèi)容替換成重量級鎖指針，鎖標(biāo)記位10

重量級鎖

輕量級鎖膨脹之后，就升級為重量級鎖，重量級鎖是依賴操作系統(tǒng)的MutexLock（互斥鎖）來實(shí)現(xiàn)的，需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，這個成本非常高，這就是為什么Java1.6之前Synchronized效率低的原因。

升級為重量級鎖時，鎖標(biāo)志位的狀態(tài)值變?yōu)?code style="font-size:14px;background-color:rgba(27,31,35,.05);font-family:'Operator Mono', Consolas, Monaco, Menlo, monospace;color:rgb(255,100,65);">10，此時Mark Word中存儲內(nèi)容的是重量級鎖的指針，等待鎖的線程都會進(jìn)入阻塞狀態(tài)，下面是簡化版的鎖升級過程。

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