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synchronized 底层实现与优化

本贴最后更新于 1661 天前，其中的信息可能已经时异事殊

一、问题引出

线程的同步与死锁是多线程里面最需要重点理解的概念。这种操作的核心问题在于：每一个线程对象轮番强占资源带来的问题。

同步问题的引出需求：多个线程同时卖票(经典的卖票问题)

package com.xpu.demo_03;
class B implements Runnable{
    private int ticket = 100;
    @Override
    public void run() {
        while(ticket > 0){
            try {
                //模拟网络延迟
                Thread.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("剩余："+ticket--+"张票");
        }
    }
}
public class Demo2 {
    public static void main(String[] args) {
        B b = new B();
        Thread t1 = new Thread(b, "黄牛A");
        Thread t2 = new Thread(b, "黄牛B");
        Thread t3 = new Thread(b, "黄牛C");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
    }
}

thread01.png

二、问题分析

明明写的是 ticket>0 才进入并进行 ticket--，为啥出现了-1 这种情况呢？明显是不合常理的，这种问题我们称之为不同步操作。不同步唯一的好处就是处理速度快！

thread02.png

其实本质上就是最后一张票被大家卖了三次，所以出现了这种问题！

三、问题解决

本次将采用 synchronized 处理同步问题，synchronized 处理同步问题有两种方式，同步代码块和同步方法：

class B implements Runnable{
    private int ticket = 1000;
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            synchronized (this){
                if(this.ticket>0) {
                    try {
                        //模拟网络延迟
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "剩余：" + ticket-- + "张票");
                }
            }
        }
    }
}

上面使用了同步代码块 : 如果要使用同步代码块必须设置一个要锁定的对象，所以一般可以锁定当前对象：this，接下来试一下同步方法：
同步方法标识此方法只有一个线程可以进入，包含一个隐式锁对象：this

class B implements Runnable{
    private int ticket = 1000;
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            sell();
        }
    }

    private synchronized void sell(){
        if(ticket > 0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                    + "剩余：" + ticket-- + "张票");
        }
    }
}

四、synchronized 锁的是什么？

接下来看看这样的一种情况：

class Sync{
    public synchronized void fun(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"fun方法开始");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"fun方法结束");
    }
}

class MyThread implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        Sync sync = new Sync();
        sync.fun();
    }
}
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread myThread = new MyThread();
        Thread thread1 = new Thread(myThread, "线程A");
        Thread thread2 = new Thread(myThread, "线程B");
        Thread thread3 = new Thread(myThread, "线程C");

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

按照道理来说，对于 Sync 的 fun 方法，应该同一时刻只会有一个线程进入，但是其实这里的同步方法的锁对象却不是同一个对象，三个线程 new 了三个对象，大家都抱着自己的锁，所以想要锁住必须是同一个对象锁！！！

在同步方法上面加上 static 就好了，为什么呢？

class Sync{
    public static synchronized void fun(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()
        +"fun方法开始");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()
        +"fun方法结束");
    }
}

static 声明的方法是类方法，与对象无关了，所以只要是这个类的对象都可以锁住，此时用的锁对象是 Sync.class 对象，Sync.class 对象在虚拟机中只有一份！

class Sync{
    public synchronized void fun(){
        System.out.println(Thread.currentThread()
        .getName()+"fun方法开始");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread()
        .getName()+"fun方法结束");
    }
}

class MyThread implements Runnable{
    private Sync sync;

    public MyThread(Sync sync) {
        this.sync = sync;
    }

    @Override
    public void run() {
        sync.fun();
    }
}
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Sync sync = new Sync();
        MyThread myThread = new MyThread(sync);
        Thread thread1 = new Thread(myThread, "线程A");
        Thread thread2 = new Thread(myThread, "线程B");
        Thread thread3 = new Thread(myThread, "线程C");

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

再思考两个问题(前提是线程中是同一个对象)：

class Sync{
    public synchronized void funA(){
       //问题一：线程1进入funA方法了,线程2能否进入funB()?
        while(true){
            //问题二：线程1在这里是否可以调用funB()?
        }
    }
    public synchronized void funB(){}
}

对于问题一：很显然不能，同步方法采用的是对象锁，如果是同一个对象的话，如果 A 线程获取到了锁，而且进入死循环，那么其他的线程是获取不到锁的，自然其他的线程也就无法进入线程 B！

对于问题二：很显然可以，对象已经获得锁了，那么在这期间它干什么都是可以的，直到释放锁之前，一切畅通无阻！

五、synchronized 底层分析

首先，我们归纳一下同步的方式，以及相应的方式应锁的是什么：
一、同步代码块：
1、锁类的实例对象

synchronized(this){...}

2、锁类对象（class 对象），又叫做全局锁，可以理解为把代码锁住了，无论多少对象产生，一定能锁住

synchronized(XXXX.class){...}

3、锁任意实例对象

synchronized(new String())

二、同步方法
1、普通方法 +synchronized：锁的是当前对象
2、静态方法 +synchronized：锁的是类，也是全局锁，效果等同于同步代码块的锁类对象

对象锁（monitor）机制 —— JDK1.6 的重量级锁

一、同步代码块：

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Object object = new Object();
        synchronized (object){
            System.out.println("hello synchronized");
        }
    }
}

使用 javap -V 查看反编译后的输出信息：

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/lang/Object
         3: dup
         4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: dup
        10: astore_2
        11: monitorenter
        12: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        15: ldc           #4                  // String hello synchronized
        17: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        20: aload_2
        21: monitorexit
        22: goto          30
        25: astore_3
        26: aload_2
        27: monitorexit
        28: aload_3
        29: athrow
        30: return
      Exception table:
         from    to  target type
            12    22    25   any
            25    28    25   any

执行同步代码块后首先要执行 monitorenter 指令，退出时要执行 monitorexit 指令。

使用内建锁 synchronized 进行同步，关键在于要获取指定锁对象的 monitor 对象，当线程获取到 monitor 后才能向下执行，否则就只能等待，这个获取的过程是互斥的，即同一时刻只有一个线程能够获取到对象 monitor。

thread03.png

通常一个 monitorenter 指令会包含若干个 monitorexit 指令，原因在于 JVM 需要确保锁在正常执行路径以及异常执行路径都能正确的解锁！

二、同步方法

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        fun();
    }
    public static synchronized void fun(){}
}

thread04.png

一：当使用 synchronized 标记方法时，编译后字节码中的方法访问标记多了一个 ACC_SYNCHRONIZED。该标记表示：进入该方法时，JVM 需要进行 monitorenter 操作，退出方法时，无论是否正确返回，JVM 均需要进行 monitorexit 操作。

二、当执行 monitorenter 时，如果目标锁对象的 monitor 计数器为 0，表示此对象没有被任何其他对象所持有，此时 JVM 会将该锁对象的持有线程设置为当前线程，并将计数器 +1；

三、如果目标锁对象的计数器不为 0，判断目标锁对象的持有持有线程是不是当前线程，如果是再次将计数器 +1（锁的可重入性），如果锁对象的持有线程不是当前线程，当前线程需要等待，直到持有线程释放锁。

之所以采用这种计数器的方式，是为了允许同一个线程重复获取同一把锁。举个例子，如果一个 Java 类中拥有多个 synchronized 方法，那么这些方法之间的相互调用，不管是直接的还是间接的，都会涉及对同一把锁的重复加锁操作。因此，我们需要设计这么一个可重入的特性，来避免编程里的隐式约束。

四、当执行 monitorexit 指令时，JVM 会将锁对象的计数器-1，当计数器减为 0 时，表示该锁对象已经被释放。

可重入性的证明：

class MyThread implements  Runnable{

    @Override
    public void run() {
        test1();
    }

    public synchronized void test1(){
        System.out.println("A线程进入test1()...");
        test2();
    }

    public synchronized void test2(){
    	System.out.println(Thread.currentThread().getName()+
      		"线程进入test2()...");
       }
    }
}
public class Demo {
    public static void main(String[] args){
        MyThread my = new MyThread();
        Thread threadA = new Thread(my, "A");
        threadA.start();
    }
}

互斥的证明：

class MyThread implements  Runnable{

    @Override
    public void run() {
        test1();
        test2();
    }

    public synchronized void test1(){
        System.out.println("A线程进入test1()...");
        if(Thread.currentThread().getName().equals("A")){
            while (true){}
        }
    }
    public synchronized void test2(){
        if(Thread.currentThread().getName().equals("B")){
            System.out.println("B线程进入该同步方法test2()..");
        }else{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"线程进入test2()...");
        }
    }
}
public class Demo {
    public static void main(String[] args){
        MyThread my = new MyThread();
        Thread threadA = new Thread(my, "A");
        threadA.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        Thread threadB = new Thread(my, "B");
        threadB.start();
    }
}

thread05.png

好了，JDK6 之前的对象锁（monitor）机制已经讲述完毕了，这个其实是重量级锁，为什么是重量级锁呢？因为这个锁是阻塞式的，这也就意味着效率非常低，没有成功获取锁的线程会阻塞，会从用户态切换到内核态，再次切换回去又是一笔重大的开销，所以 JDK6 之前的对象锁是重量级的锁，效率很低，于是在 JDK5 出现了 Lock 体系，synchronized 对象锁也得到了优化。

interrupt():
1、线程中没有调用 wait()、sleep()、join()，isInterrupt()：true
2、线程调用了 wait()、sleep()、join()，调用 interrupt 引发中断异常，catch 中捕获异常，退出，中断状态设置为 false

JDk1.5 提供的 Lock 锁

class MyThread implements Runnable {
    private int ticket = 100;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                lock.lock();
                try {
                    Thread.sleep(20);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                if(ticket > 0){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            +"剩下"+ticket--+"张票");
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

在 JDK1.5 中，synchronized 是性能低效的。因为这是一个重量级操作，它对性能最大的影响是阻塞的是实现，挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成，这些操作给系统的并发性带来了很大的压力。相比之下使用 Java 提供的 Lock 对象，性能更高一些。

到了 JDK1.6，发生了变化，对 synchronize 加入了很多优化措施，有自适应自旋，锁消除，锁粗化，轻量级锁，偏向锁等等。导致在 JDK1.6 上 synchronize 的性能并不比 Lock 差。官方也表示，他们也更支持 synchronized，在未来的版本中还有优化余地，所以还是提倡在 synchronized 能实现需求的情况下，优先考虑使用 synchronized 来进行同步。

synchronized 优化

现在我们对 Synchronized 应该有所印象了，它最大的特征就是在同一时刻只有一个线程能够获得对象的监视器（monitor），从而进入到同步代码块或者同步方法之中，即表现为互斥性（排它性）。这种方式肯定效率低下，每次只能通过一个线程，既然每次只能通过一个，这种形式不能改变的话，那么我们能不能让每次通过的速度变快一点呢？

打个比方，去收银台付款，之前的方式是，大家都去排队，然后取纸币付款收银员找零，有的时候付款的时候在包里拿出钱包再去拿出钱，这个过程是比较耗时的，然后，支付宝解放了大家去钱包找钱的过程，现在只需要扫描下就可以完成付款了，也省去了收银员跟你找零的时间的了。同样是需要排队，但整个付款的时间大大缩短，是不是整体的效率变高速率变快了？这种优化方式同样可以引申到锁优化上，缩短获取锁的时间。

CAS 操作

CAS 操作概念

悲观锁（JDK1.6 之前的内建锁）：使用锁时，线程获取锁是一种悲观锁策略，即假设每一次执行临界区代码都会产生冲突，所以当前线程获取到锁的时候同时也会阻塞其他线程获取该锁。
乐观锁（LOCK）：假设所有线程访问共享资源时不会出现冲突，既然不会出现冲突自然就不会阻塞其他线程，线程不会出现被阻塞状态。

CAS 操作（又称为无锁操作）是一种乐观锁策略，那么，如果出现冲突了怎么办？无锁操作是使用 CAS(compare and swap)又叫做比较交换来鉴别线程是否出现冲突，出现冲突就重试当前操作直到没有冲突为止。

CAS 操作过程

一般来讲，CAS 交换过程分三个阶段（V，O，N）
V:内存中地址存放的实际值
O:预期值（旧值）
N:更新后的值

当执行 CAS 后，当 V==O，即旧值和内存中实际值相等，表示上次修改后没有任何线程再次修改此值，因此可将 N 替换到内存中，如果 V!=O，表示内存中的值已经被其他线程修改，所以无法将 N 替换，返回最新的 V 值。

当多个 CAS 操作同一个变量时，只有一个线程会成功，并成功更新变量值，其余线程均会失败，失败线程会重新尝试或将线程挂起(阻塞)

元老级内建锁（Synchronized）最主要的问题：当存在线程竞争情况下会出现线程阻塞以及唤醒带来的性能问题，对应互斥同步（阻塞同步），效率降低。而 CAS 并不是武断地将线程挂起，而是会尝试若干次 CAS 操作，并非进行耗时的挂起与唤醒操作，因此非阻塞式同步。

CAS 的实现需要硬件指令集的支撑，在 JDK1.5 后虚拟机才可以使用处理器提供的 CMPXCHG 指令实现！

thread06.png

CAS 操作的问题

1、A-B-A 问题：

比如线程 1 检测到变量值为：A，但是线程 2 修改为 B 了，线程 3 把 B 修改为 A 了，A 去检查结果还是 A，以为没有人更改过！

解决方案：沿用数据库的乐观锁机制，添加版本号 1A->2B->3A
JDK1.5 提供 atomic 包下 AtomicStampedeReference 来解决 CAS 的 ABA 问题

2、自旋（CAS）会浪费大量的处理器资源

阻塞不会浪费 CPU 资源，与线程阻塞相对比，自旋会浪费大量 CPU 资源，因为此时线程仍处于运行状态，只不过跑的是无用指令，期望在无用指令时，锁能被释放出来。

解决方案：自适应自旋。根据以往自旋等待时能否获取到锁来动态调整自旋时间（循环尝试的数量），如果在上一次自旋时获取到锁，则此次自旋时间长一点，如果上一次自旋结束还没有获取到锁，此次自旋时间短一点。打个比方：如果你上一次看到十字路口是红灯，你是选择刹车呢（自旋）？还是直接熄火（线程挂起）？结果你等了好长时间也没变绿灯，那么你下次再次遇到红灯的时候会选择刹车时间短一点，如果在你的刹车时间内还没变绿灯，那么就选择熄火；如果你等了很短一段时间就变成了绿灯，那么下次你肯定踩刹车的时间会更长一点，因为你相信很短的时间就可以等到绿灯，车就不用熄火了！

3、公平性问题

很显然，如果刚好显示绿灯了，之前踩刹车的人肯定比重新打火的人更快的跑起来，所以自旋的线程其实相对于挂起的线程更容易获取到锁，这就导致了不公平的问题。
处于阻塞状态的线程无法立刻竞争被释放的锁，而处于自旋状态的线程很可能先获取到锁。内建锁无法实现公平性。lock 体系可以实现公平锁（一定会让等待时间最长的线程最先获取到锁）。

Java 对象头

JDK1.6 之后对内建锁做了优化（新增偏向、轻量级锁），下面是锁的四种状态，锁状态在对象头的 mark word 中

  • 无锁状态 0 01
  • 偏向锁 1 01
  • 轻量级锁 00
  • 重量级锁（JDK1.6 之前）10

这四种状态随着竞争情况逐渐升级，锁可以升级不能降级，为了提高获得锁与释放锁的效率，

在同步的时候是获取对象的 monitor,即获取到对象的锁。那么对象的锁怎么理解？无非就是类似对对象的一个标志，那么这个标志就是存放在 Java 对象的对象头。Java 对象头里的 Mark Word 里默认的存放的对象的 Hashcode，分代年龄和锁标记位。32 位 JVM Mark Word 默认存储结构为：

锁状态 25bit 4bit 1bit 是否偏向锁 2bit 是否标志位
无锁状态 对象 hashCode 对象分代年龄 0 01

如图在 Mark Word 会默认存放 hasdcode，年龄值以及锁标志位等信息。 锁一共有 4 种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。对象的 MarkWord 变化为下图：

thread07.png

偏向锁

偏向锁概念：最乐观的锁，从始至终只有一个线程请求一把锁

HotSpot 的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。
偏向锁是四种状态中最乐观的一种锁:从始至终只有一个线程请求某一把锁。

这就好比你在私家庄园里装了个红绿灯，并且庄园里只有你在开车。偏向锁的做法便是在红绿灯处识别来车的车牌号。如果匹配到你的车牌号，那么直接亮绿灯，线程 ID 用来标识线程：

thread08.png

偏向锁的获取

(1) 当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录中记录存储偏向锁的线程 ID，以后该线程再次进入同步块时，不需要 CAS 来加锁和解锁，只需简单测试一下对象头的 mark word 中偏向线程 ID 是否是当前线程的 ID，如果成功，表示线程已经获取到锁直接进入代码块运行。

(2) 如果测试失败（不是当前线程 ID），检查当前偏向锁字段是否为 0（无锁状态）：

  • 如果为 0，将偏向锁字段设置为 1（采用 CAS 操作），并且更新自己的线程 ID 到 mark word 字段中。
  • 如果为 1，表示此事偏向锁已经被别的线程获取，则次线程需要不断尝试使用 CAS 获取偏向锁，或者将偏向锁撤销，升级为轻量级锁，一般情况下后者（升级）概率较大。

偏向锁的撤销

偏向锁撤销：偏向锁使用一种等待竞争出现才释放锁的机制，当有其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会撤销偏向锁。

thread09.png

但是偏向锁的撤销开销很大，需要等待线程进入全局安全点 safepoint，全局安全点 safepoint 简单理解就是当前线程在 CPU 上没有执行任何有用字节码！

thread10.png

Epoch 字段标识偏向锁的撤销次数，每撤销一个 Epoch 就加一，加到 40 的时候升级为轻量级锁，此值是可以设置的！

偏向锁从 JDK6 后默认开启，但是在应用程序启动几秒后在激活
-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0，将延迟关闭，JVM 一启动就激活偏向锁。

-XX：-UserBiasedLocking = false，关闭偏向锁，程序默认进入轻量级锁。

轻量级锁

多个线程在不同的时间段请求同一把锁，也就是说没有锁竞争。针对这种情况，JVM 采用了轻量级锁，来避免线程的阻塞以及唤醒。
类比于生活中的例子：比如现在是深夜，车辆很少，红绿灯处只有一个车在等待红灯结束，很显然，此时没有其他的车，这样的等待是一种时间的浪费，于是便出现了轻量级锁来解决这种问题！

加锁：线程在执行同步代码块之前，JVM 先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头的 Mark Word 字段直接复制到此空间中。然后线程尝试使用 CAS 将对象头的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针（指向当前线程），如果成功表示获取到轻量级锁，如果失败，表示其他线程竞争轻量级锁，当前线程便采用自旋来不断尝试。

thread11.png

总结

拿个上厕所的例子所为结尾：A 和 B 都需要上厕所

重量级锁：重量级锁会阻塞、唤醒请求加锁的进程，针对的是多个线程同一时刻竞争同一把锁的情况，JVM 采用自适应自旋来避免线程在面对非常小的同步块时，仍会被阻塞以及唤醒。比如：A 和 B 同时都要上厕所，这个时候就要重量级锁！

轻量级锁：轻量级锁采用 CAS 操作，将锁对象的标记字段替换为指向线程的指针，存储着锁对象原本的标记字段。针对的是多个线程在不同时间段申请同一把锁的情况。比如：A 总是在早晨上厕所，B 总是在晚上才上厕所！

偏向锁：偏向锁只会在第一次请求时采用 CAS 操作，在锁对象的 Mark Word 字段中记录下当前线程 ID，此后运行中持有偏向锁的线程不再有加锁过程，针对的锁仅会被同一线程持有。比如：这个厕所只有 A 上，B 根本不会来这个厕所！

  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

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zouchanglin
不做一个码农，要做软件工程师 西安
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