synchronized关键字 Krains 2020-08-25
synchronized关键字 Krains 2020-08-25
synchronized
synchronized实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性（临界区就是多个线程对共享资源读写操作的代码块），临界区内的代码对外是不可分割的，不会因线程切换所打断。
// 将对象obj当做锁，若一个对象获取该锁，其他对象在获取该锁时将进入阻塞状态，见线程六状态模型
synchronized(obj){
// 临界区
}1 2 3 4 5
synchronized只能对对象加锁，synchronized加在
- 普通方法上，是对当前对象
this加锁，相当于在方法内部加了synchronized(this){} - 静态方法上，锁住的是
this.class对象 - 同步代码块上，锁住的是括号内的对象
synchronized底层原理
每个对象都可以关联一个Monitor对象，如果代码synchronized(obj)执行了，obj对象头中的Mark Word中将存有指向Monitor对象的地址。
- 刚开始Monitor中Owner为null
- 当Thread-2执行synchronized(obj)就会将Monitor的所有者Owner置为Thread-2，Monitor中只能有一个Owner
- 在Thread-2成为obj的Monitor的Owner时，如果Thread-1，Thread-3也来执行synchronized(obj)，就会进入EntryList，这些线程将变成BLOCKED状态
- Thread-2执行完同步代码块的内容，然后唤醒EntryList中等待的线程来竞争锁，竞争的时候是非公平的，非公平的意思是如果释放锁的同时有正在运行时的线程来获取锁（线程不断自旋操作尝试获取锁）时，让这个新来的线程获得锁而不是让处于阻塞状态的线程获得锁，这样提高了执行效率，避免了新线程的上下文切换。
- Wait Set中存储的线程是之前获得过锁，但条件不满足而调用Object.wait()而进入WAITING状态的线程，可以通过获得obj锁的线程调用notify()方法来唤醒处于WAITING状态的线程，此时被唤醒的线程加入EntryList等待。
从字节码看synchronized
public class ThreadTest {
static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
synchronized (lock){
// counter++这一行代码并不具有原子性，
// 在转化为字节码文件的时候这一行代码会产生4条指令，如下，
// 在多线程指令交错的情况下会导致线程安全问题
counter++;
}
}
}1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.InterruptedException;
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: getstatic #2 // Field lock:Ljava/lang/Object; 获取lock引用
3: dup
4: astore_1 // 将lock存入局部变量表
5: monitorenter // 将lock对象头中MarkWord置为Monitor指针
6: getstatic #3 // Field counter:I 获取counter的值
9: iconst_1 // 准备常数1
10: iadd // +1
11: putstatic #3 // Field counter:I，将结果放到counter中
14: aload_1 // 拿到lock引用
15: monitorexit // 将lock对象MarkWord重置，唤醒EntryList中的阻塞线程
16: goto 24
19: astore_2 // 此处开始若synchronized代码块中发生了异常，跳到这将lock对象头重置
20: aload_1
21: monitorexit
22: aload_2
23: athrow
24: return
Exception table:
from to target type
6 16 19 any
19 22 19 any
LineNumberTable:
line 8: 0
line 9: 6
line 10: 14
line 11: 24
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 25 0 args [Ljava/lang/String;1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
synchronized优化
轻量级锁
轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。
轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是synchronized
假设有两个同步方法块，利用一个对象加锁
static final Object obj = new Object();
public static void method1(){
synchronized(obj){
// 同步块A
method2();
}
}
public static void method2(){
synchronized(obj){
// 同步块B
}
}1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word和对象引用
执行到synchronized(obj)时，让锁记录中Object Reference指向锁对象，并尝试用CAS替换Object的Mark Word，将Mark Word的值存入锁记录
如果CAS替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态00，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下
如果CAS失败，有两种情况
- 如果是其他线程已经持有了该Object的轻量级锁，这是表明有竞争，进入锁膨胀过程
- 如果是自己执行了synchronize锁重入，那么再添加一条Lock Record作为重入的计数
当退出synchronized代码块（解锁时）锁记录的值为null，表示有重入，这是重置锁记录，表示重入计数减一
当退出synchronized代码块（解锁时）锁记录的值不为null，这时使用CAS将Mark Word的值恢复给对象头
- 成功，则解锁成功
- 失败，说明轻量级锁进入了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS操作无法成功，这时一种情况就是有其他线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。
static Object obj = new Object();
public static void method1(){
synchronized(obj){
// 同步代码块
}
}1 2 3 4 5 6
当Thread-1进行轻量级加锁时，Thread-0已经对该对象加了轻量级锁
这时Thread-1加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
- 即为Object对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址
- 然后自己进入Monitor的EntryList，进入BLOCKED状态
当Thread-0退出同步块解锁时，使用CAS将Mark Word的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照Object中对象头中MarkWord的Monitor地址对象，找到关联的Monitor对象，设置Owner为null，唤醒EntryList中BLOCKED线程。
自旋优化
重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
自旋重试成功的情况
线程1（cpu1上） | 对象Mark | 线程2（cpu2上） |
|---|---|---|
- | 10（重量锁） | - |
访问同步代码块，获取Monitor | 10（重量锁） | - |
成功（加锁） | 10（重量锁） | - |
执行同步代码块 | 10（重量锁） | - |
执行同步代码块 | 10（重量锁） | 访问同步块，获取Monitor |
执行完毕 | 10（重量锁） | 自旋重试 |
成功（解锁） | 01（无锁） | 自旋重试 |
- | 10（重量锁） | 成功（加锁） |
也有可能线程2自旋操作时等不到线程1锁释放，这时线程2进入阻塞状态。
- Java6自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋。
- 自旋会占用CPU时间，单核CPU自旋就是浪费，多核CPU自旋才能发挥优势。
- Java7之后不能控制是否开启自旋功能
偏向锁
轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程对同一对象加锁），每次重入仍然需要执行CAS操作，然后再加一条锁记录。
Java6中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争，不用重新CAS，以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。
static final Object obj = new Object();
public static void m1(){
// 同步块 A
m2();
}
public static void m2(){
// 同步块 B
m3();
}
public static void m3(){
// 同步块 C
}1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
轻量级锁加锁过程
偏向锁
一个对象创建时
- 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，Mark Word值为0x05即最后3位为101，这是它的thread、epoch、age都为0
- 偏向锁是默认延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加VM参数-xx:BiasedLockingStartupDelay=0来禁用延迟
- 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，Mark Word值为0x01即最后3位为001，这是它的hashCode、age都为0，第一次调用hashCode方法时才会赋值
- 一个线程对一个对象加了偏向锁，那么解锁后该对象头的线程ID仍存储于对象头中
- 可以使用-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向锁
撤销偏向锁
调用对象hashCode时
调用了对象的hashCode方法，如果此时偏向锁对象MarkWord中存储的是线程id，如果调用hashCode会导致偏向锁被撤销，因为存不下了，如果是轻量级锁和重量级锁则不会，因为
- 轻量级锁会在线程的锁记录（Lock Record）中记录hashCode
- 重量级锁会在Monitor中记录hashCode
其他线程使用对象
当一个线程对一个新对象使用锁时，假设该对象支持偏向锁即MarkWord最后3位为101，会在其对象头上记录线程id，当线程释放该锁后，线程id仍然没有改变，当有其他线程使用偏向锁对象时，此时发现偏向锁偏向的是其他线程，这时会将偏向锁升级为轻量级锁。
调用wait/notify
因为wait与notify是只有重量锁有，因此会将偏向锁升级为重量级锁。
批量重偏向
如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程t1的对象仍有机会重写偏向t2，重偏向会重置对象的Thread ID。
当撤销偏向锁阈值超过20次后，JVM会这样觉得，我是不是偏向错了呢？于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程。
当一个对象一开始偏向了线程t1，此时线程t2再对对象加锁（synchronized），会撤销偏向锁，改加轻量锁，解锁后对象头中的MarkWord的状态变为无锁状态，即最后3位为001，但当线程t2又重复对该类对象撤销了19次之后，该类对象会重新偏向t2。
批量撤销
当撤销偏向锁阈值超过40次后，JVM会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的。
锁消除
static int x = 0;
public void a(){
x++;
}
public void b(){
Object o = new Object();
synchronized(o){
x++;
}
}1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
通过工具的测试，两者运行时间几乎差不多，方法b对对象o加了锁，为什么两者的运行时间几乎一样呢？
JIT即时编译器会对热点代码进一步优化，通过对热点代码进行逃逸分析，局部变量o不会逃离方法的作用范围，其他方法也就无法对o进行加锁，所以JVM做了优化取消了加锁的过程。
各种锁的比较
锁 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
偏向锁 | 加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。 | 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。 | 适用于只有一个线程访问同步块场景。 |
轻量级锁 | 竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。 | 如果始终得不到锁竞争的线程使用自旋会消耗CPU。 | 追求响应时间。同步块执行速度非常快。 |
重量级锁 | 线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU。 | 线程阻塞，响应时间缓慢。 | 追求吞吐量。同步块执行时间较长。 |
Lock与synchronized的区别
- Lock能够中断正在阻塞队列中的等待的线程，让其不再尝试获取锁
- 能够在指定的截止时间内获取锁，如果截止时间到了仍然无法获取锁，则返回
wait/notify
当一个线程获得对象obj的锁时，可以调用以下方法
// 让进入obj的Monitor的线程到waitSet等待，无限等待，直到被唤醒
obj.wait()
// 有时限的等待，到n毫秒后结束等待，或是被notify
obj.wait(long n)
// 让Monitor上正在WaitSet等待的线程中挑一个唤醒（随机）
obj.notify()
// 让Monitor上正在WaitSet等待的线程全部唤醒
obj.notifyAll()1 2 3 4 5 6 7 8
- 若当前拥有Monitor对象的线程发现条件不满足，调用wait方法，即可进入WaitSet变为WAITING状态
- BLOCKED和WAITING的线程都处于阻塞状态，不占用CPU时间片
- BLOCKED线程会在Owner线程释放锁时唤醒
- WAITING线程会在Owner线程调用notify或notifyAll时唤醒，但唤醒后并不意味着立即获得锁，仍需进入EntryList重新竞争
- 要想用wait/notify方法，必须先要获得该对象的Monitor，然后才能调用wait进入WAITING状态或者调用notify唤醒一个处于WaitSet中的线程，让它进入EntryList
Thread.sleep(long n)和Object.wait(long n)的区别与相同点
- sleep是Thread的方法，而wait是Object的方法
- sleep不需要强制和synchronized配合使用，但wait需要
- sleep在睡眠的同时不会释放对象锁，而wait会释放
- 它们进入的状态都是TIMED_WAITING
wait/notify的配合使用方法
public class ThreadTest {
static final Object obj = new Object();
static boolean hasCigarette = false;
static boolean hasTakeout = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(()->{
synchronized (obj){
try {
// 等到有烟送来才能干活，没烟就一直等待下去
while(!hasCigarette)
obj.wait();
System.out.println("有烟了，可以干活了");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "t1").start();
new Thread(()->{
synchronized (obj){
try {
// 等到有外卖送来才能干活
while(!hasTakeout)
obj.wait();
System.out.println("有外卖了，可以干活了");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "t2").start();
Thread.sleep(2000);
synchronized (obj){
hasCigarette = true;
System.out.println("送烟来了");
// 无法指定唤醒某线程，因此需要唤醒obj中waitSet中的所有线程，
// 可以使用ReentrantLock条件变量来指定唤醒某线程
obj.notifyAll();
}
}
}1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43
LockSupport.park()/unpark()
类似于操作系统中使用信号量实现进程的同步操作（初始信号量S为0），基本使用方法如下
// 暂停当前线程
LockSupport.park();
// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象);1 2 3 4 5
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("start...");
sleep(1);
log.debug("park...");
// 线程进入WAITING状态
LockSupport.park();
log.debug("resume...");
},"t1");
t1.start();
// unpark先于park调用，线程park之后不会进入WAITING状态
// LockSupport.unpark(t1);
sleep(2);
log.debug("unpark...");
// 唤醒线程
LockSupport.unpark(t1);1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
与Object的wait/notify类似，都能够让线程进入WAITING状态，以及能够唤醒线程，但两者有不同：
- wait、notify和notifyAll必须配合Object Monitor一起使用，而park、unpark不必
- park和unpark是以线程为单位来阻塞和唤醒线程的，而notify只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll是唤醒所有处于Monitor的WaitSet中的等待线程，没有那么精确
- park和unpark可以先unpark，此时再park线程不会进入WATING状态，但是notify先与wait执行将不能唤醒线程
原理
每个线程都有自己的一个Parker对象，由三部分组成
- counter，只有1和0两个取值
- condition，条件变量
- mutex，用作对条件变量互斥访问用
park()方法
- 当前线程调用park()方法
- 检查counter的值，如果是1，则将counter清零继续运行，如果是1，获得互斥锁
- 线程进入condition条件变量阻塞
- 又将counter置0
unpark()方法
- 线程调用Unsafe.unpark(Thread_0)方法，设置counter为1
- 唤醒condition条件变量中的Thread_0
- Thread_0恢复运行
- 设置counter为0