13張圖，深入理解Synchronized
前言
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(duì)線。
在并發(fā)編程中Synchronized一直都是元老級(jí)的角色，Jdk 1.6以前大家都稱呼它為重量級(jí)鎖，相對(duì)于J U C包提供的Lock，它會(huì)顯得笨重，不過隨著Jdk 1.6對(duì)Synchronized進(jìn)行各種優(yōu)化后，Synchronized性能已經(jīng)非常快了。
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(chǎng)景下，對(duì)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(huì)有線程安全問題，因?yàn)樽x操作天然具備線程安全特性），可能會(huì)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(gè)線程執(zhí)行，其他線程阻塞等待，達(dá)到排隊(duì)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(duì)象實(shí)例（this）
- 修飾靜態(tài)靜態(tài)函數(shù)，視器鎖（monitor）便是對(duì)象的Class實(shí)例（每個(gè)對(duì)象只有一個(gè)Class實(shí)例）
- 修飾代碼塊，監(jiān)視器鎖（monitor）是指定對(duì)象實(shí)例
普通函數(shù)
普通函數(shù)使用Synchronized的方式很簡(jiǎn)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(chǎng)景下，thread與threadTwo兩個(gè)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(huì)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(jiǎn)單，incr函數(shù)被synchronized修飾，函數(shù)邏輯是對(duì)j進(jìn)行10000次累加，兩個(gè)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(jiǎn)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(jiǎn)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(huì)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(huì)以this作為鎖，即當(dāng)前對(duì)象，以上面的代碼段為例就是syncTest對(duì)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(duì)象不再是this，而是Class對(duì)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(huì)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(duì)象，它只屬于Class對(duì)象，每個(gè)Class在J V M中只有唯一的一個(gè)Class對(duì)象，所以同步靜態(tài)函數(shù)會(huì)以Class對(duì)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(gè)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(hào)定義范圍給Synchronized修飾。
下面代碼中定義了syncDbData函數(shù)，syncDbData是一個(gè)偽同步數(shù)據(jù)的函數(shù)，耗時(shí)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(gè)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(shì)不同，一個(gè)是修飾在函數(shù)上，另一個(gè)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(shí)，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(shí)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(chǎng)景執(zhí)行，會(huì)有性能上的浪費(fèi)，因?yàn)閟yncDbData()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(duì)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?yàn)镾ynchronized ()括號(hào)中能接收任何對(duì)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(duì)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?yàn)長(zhǎng)ockSupport工具類會(huì)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(gè)隨機(jī)喚醒一個(gè)）
- 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(shí)，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(shí)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(duì)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(duì)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(gè) monitorenter都有monitorexit與之對(duì)應(yīng)。
任何對(duì)象都有一個(gè)監(jiān)視器鎖（monitor）關(guān)聯(lián)，線程執(zhí)行monitorenter指令時(shí)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(duì)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(duì)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(jí)
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(shí)間，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，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(huì)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。
J V M會(huì)檢測(cè)到一連串的操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)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(shí)J V M就會(huì)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(shí)(可以簡(jiǎn)單理解為當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時(shí)進(jìn)行編譯，又稱即時(shí)編譯)，通過對(duì)運(yùn)行上下文的掃描，經(jīng)過逃逸分析（對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)間消耗。
代碼中使用Object作為鎖，但是Object對(duì)象的生命周期只在incrFour()函數(shù)中，并不會(huì)被其他線程所訪問到，所以在J I T編譯階段就會(huì)被優(yōu)化掉（此處的Object屬于沒有逃逸的對(duì)象）。
鎖升級(jí)
Java中每個(gè)對(duì)象都擁有對(duì)象頭，對(duì)象頭由Mark World 、指向類的指針、以及數(shù)組長(zhǎng)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(duì)象的HashCode、分代年齡和鎖標(biāo)志位信息。
Mark World簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)
| 鎖狀態(tài) | 存儲(chǔ)內(nèi)容 | 鎖標(biāo)記 |
|---|---|---|
| 無鎖 | 對(duì)象的hashCode、對(duì)象分代年齡、是否是偏向鎖（0） | 01 |
| 偏向鎖 | 偏向線程ID、偏向時(shí)間戳、對(duì)象分代年齡、是否是偏向鎖（1） | 01 |
| 輕量級(jí)鎖 | 指向棧中鎖記錄的指針 | 00 |
| 重量級(jí)鎖 | 指向互斥量（重量級(jí)鎖）的指針 | 10 |
讀者們只需知道，鎖的升級(jí)變化，體現(xiàn)在鎖對(duì)象的對(duì)象頭Mark World部分，也就是說Mark World的內(nèi)容會(huì)隨著鎖升級(jí)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(jí)鎖，Synchronized的升級(jí)順序是 「無鎖-->偏向鎖-->輕量級(jí)鎖-->重量級(jí)鎖，只會(huì)升級(jí)不會(huì)降級(jí)」
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(jìng)爭(zhēng)，所以出現(xiàn)了偏向鎖，其目標(biāo)就是在只有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼塊時(shí)，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(huì)進(jìn)入輕量級(jí)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(duì)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(chǔ)內(nèi)容「是否為偏向鎖（0）」，鎖標(biāo)識(shí)位01
- CAS設(shè)置當(dāng)前線程ID到Mark Word存儲(chǔ)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(chǔ)內(nèi)容「是否為偏向鎖（1）、線程ID」，鎖標(biāo)識(shí)位01
- 對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(jí)為輕量級(jí)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(jí)鎖
輕量級(jí)鎖考慮的是競(jìng)爭(zhēng)鎖對(duì)象的線程不多，持有鎖時(shí)間也不長(zhǎng)的場(chǎng)景。因?yàn)樽枞€程需要C P U從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)，代價(jià)較大，如果剛剛阻塞不久這個(gè)鎖就被釋放了，那這個(gè)代價(jià)就有點(diǎn)得不償失，所以干脆不阻塞這個(gè)線程，讓它自旋一段時(shí)間等待鎖釋放。
當(dāng)前線程持有的鎖是偏向鎖的時(shí)候，被另外的線程所訪問，偏向鎖就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖，其他線程會(huì)通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞，從而提高性能。輕量級(jí)鎖的獲取主要有兩種情況：① 當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能時(shí)；② 多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖。
- 無鎖狀態(tài)，存儲(chǔ)內(nèi)容「是否為偏向鎖（0）」，鎖標(biāo)識(shí)位01
- 關(guān)閉偏向鎖功能時(shí)
- CAS設(shè)置當(dāng)前線程棧中鎖記錄的指針到Mark Word存儲(chǔ)內(nèi)容
- 鎖標(biāo)識(shí)位設(shè)置為00
- 執(zhí)行同步代碼或方法
- 釋放鎖時(shí)，還原來Mark Word內(nèi)容
- 輕量級(jí)鎖狀態(tài)，存儲(chǔ)內(nèi)容「線程棧中鎖記錄的指針」，鎖標(biāo)識(shí)位00（存儲(chǔ)內(nèi)容的線程是指"持有輕量級(jí)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(chǔ)內(nèi)容，設(shè)置成功獲取輕量級(jí)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(jìng)爭(zhēng)，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(jí)鎖升級(jí)為重量級(jí)鎖
- Mark Word存儲(chǔ)內(nèi)容替換成重量級(jí)鎖指針，鎖標(biāo)記位10
重量級(jí)鎖
輕量級(jí)鎖膨脹之后，就升級(jí)為重量級(jí)鎖，重量級(jí)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(gè)成本非常高，這就是為什么Java1.6之前Synchronized效率低的原因。
升級(jí)為重量級(jí)鎖時(shí)，鎖標(biāo)志位的狀態(tài)值變?yōu)?0，此時(shí)Mark Word中存儲(chǔ)內(nèi)容的是重量級(jí)鎖的指針，等待鎖的線程都會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，下面是簡(jiǎn)化版的鎖升級(jí)過程。
