JUC学习之共享模型上

大忽悠爱学习

发布于 2021-12-20 20:03:20

3760

发布于 2021-12-20 20:03:20

文章被收录于专栏：c++与qt学习c++与qt学习

JUC学习之共享模型上

导读

共享问题
synchronized
线程安全分析
Monitor

共享带来的问题

小故事

老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快

小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）

在这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上
计算流程是这样的

但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1…] 不甘心地到一边待着去了（上下文切换）
老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写入了笔记本

小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0

Java 的体现

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 counter++;
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 counter--;
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("{}",counter);
}

问题分析

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析

例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而对应 i-- 也是类似：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：

但多线程下这 8 行代码可能交错运行：

出现负数的情况：

出现正数的情况：

临界区 Critical Section

一个程序运行多个线程本身是没有问题的
问题出在多个线程访问共享资源

多个线程读共享资源其实也没有问题 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题

一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

例如，下面代码中的临界区

static int counter = 0;
static void increment() 
// 临界区
{ 
 counter++; }
static void decrement() 
// 临界区
{ 
 counter--; }

竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

synchronized 解决方案

应用之互斥

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。

阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
非阻塞式的解决方案：原子变量

本次使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。

这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

注意

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

synchronized

语法

synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
 临界区
}

解决

static int counter = 0;
static final Object room = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 synchronized (room) {
 counter++;
 }
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 synchronized (room) {
 counter--;
 }
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("{}",counter);
}

图解

你可以做这样的类比：

synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入
当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码
如果门外有多个线程同时等待，那么当t1执行完后，cpu会决定将时间片分给门外等待的哪一个线程，被选中的线程将得到钥匙，进入房间，剩余线程继续在门外等待

用图来表示

思考

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。

为了加深理解，请思考下面的问题

如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？-- 原子性
如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？-- 锁对象
如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？-- 锁对象

需要对同一个对象加锁

面向对象改进

把需要保护的共享变量放入一个类

class Room {
 int value = 0;
 public void increment() {
 synchronized (this) {
 value++;
 }
 }
 public void decrement() {
 synchronized (this) {
 value--;
 }
 }
 public int get() {
 synchronized (this) {
 return value;
 }
 }
}
@Slf4j
public class Test1 {
 
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Room room = new Room();
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int j = 0; j < 5000; j++) {
 room.increment();
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 for (int j = 0; j < 5000; j++) {
 room.decrement();
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("count: {}" , room.get());
 }
}

方法上的 synchronized

普通方法上的锁，锁的是this对象，即调用当前方法的对象

class Test{
 public synchronized void test() {
 
 }
}
等价于
class Test{
 public void test() {
 synchronized(this) {
 
 }
 }
}

静态方法上加锁，锁的是类对象，即Test.class对象，类对象在类一开始加载的时候，就被加载进了内存，且一个类只有一个类对象，即类对象是单例的

class Test{
 public synchronized static void test() {
 }
}
等价于
class Test{
 public static void test() {
 synchronized(Test.class) {
 
 }
 }
}

不加 synchronized 的方法

不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）

线程八锁案例

其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象

情况1：12 或 21

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public synchronized void a() {
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //锁住的是同一个对象n1,即两个线程一把锁
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况2：1s后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //锁住的是同一个对象n1,即两个线程一把锁
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况3：3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
 public synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
 public void c() {
 log.debug("3");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //a方法和b方法的调用，两个线程是一把锁
 //但是c方法没有锁，因此是和a或b方法在一开始并行执行的
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.c(); }).start();
}

情况4：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 //两个线程是两个锁，一个锁的是n1对象，一个锁的是n2对象
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

情况5：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
 }
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //a方法上加的锁是类对象锁，即Number.class
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 //b方法上加的锁是当前对象锁，即n1对象
 //显然与上面线程不是一把锁，所以是并行执行
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况6：1s 后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public static synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //两个线程都是一个类对象锁
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况7：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 //当前线程锁的对象是Number.class
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 //当前线程是锁的对象是n2
 //与上面线程不是一把锁，因此两个线程是并行执行的
 new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

情况8：1s 后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public static synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 //两个线程锁的对象都是Number.class，因此是一把锁
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

变量的线程安全分析

成员变量和静态变量是否线程安全？

如果它们没有共享，则线程安全

如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况

如果只有读操作，则线程安全
如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

局部变量是否线程安全？

局部变量是线程安全的

但局部变量引用的对象则未必

如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

局部变量线程安全分析

public static void test1() {
 int i = 10;
 i++; 
 }

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

public static void test1();
 descriptor: ()V
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
 Code:
 stack=1, locals=1, args_size=0
 0: bipush 10
 2: istore_0
 3: iinc 0, 1
 6: return
 LineNumberTable:
 line 10: 0
 line 11: 3
 line 12: 6
 LocalVariableTable:
 Start Length Slot Name Signature
 3 4 0 i I

如图

局部变量的引用稍有不同

先看一个成员变量的例子

class ThreadUnsafe {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 public void method1(int loopNumber) {
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
 // { 临界区, 会产生竞态条件
 method2();
 method3();
  // } 临界区
 }
 }
 private void method2() {
 list.add("1");
 }
 private void method3() {
 list.remove(0);
 }
}

执行

static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
 ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
 for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
 new Thread(() -> {
 test.method1(LOOP_NUMBER);
 }, "Thread" + i).start();
 }
}

其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错：

Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0 
 at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657) 
 at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496) 
 at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35) 
 at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26) 
 at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14) 
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

分析：

无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
method3 与 method2 分析相同

将 list 修改为局部变量

class ThreadSafe {
 public final void method1(int loopNumber) {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
 method2(list);
 method3(list);
 }
 }
 private void method2(ArrayList<String> list) {
 list.add("1");
 }
 private void method3(ArrayList<String> list) {
 list.remove(0);
 }
}

那么就不会有上述问题了

分析：

list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
method3 的参数分析与 method2 相同

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？

情况1：有其它线程调用 method2 和 method3----不会，因为其他线程传入method2和method3里面的list集合肯定不是method1里面的那份
情况2：在情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即

class ThreadSafe {
 public final void method1(int loopNumber) {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
 method2(list);
 method3(list);
 }
 }
 private void method2(ArrayList<String> list) {
 list.add("1");
  }
 private void method3(ArrayList<String> list) {
 list.remove(0);
 }
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
 @Override
 public void method3(ArrayList<String> list) {
 new Thread(() -> {
 list.remove(0);
 }).start();
 }
}

情况2会产生线程安全的问题，因为子类另开一个线程，这个线程用的是父类里面的list局部变量，相当于存在两个线程对一个变量进行读写操作，会有指令交错的问题发生

因此如果将父类的method1方法加上final，method2,3方法加上private,这样可以很好保护父类的资源，防止并发问题发生

从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

常见线程安全类

String
Integer
StringBuffer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为

Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
 table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
 table.put("key", "value2");
}).start();

它们的每个方法是原子的
但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析

线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？

Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
 table.put("key", value);
}

显然图中可以看出，不是线程安全的，虽然方法的执行完成了原子性操作，但是多线程下方法执行的顺序还是会导致问题

不可变类线程安全性

String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的

有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？

public class Immutable{
 private int value = 0;
 public Immutable(int value){
 this.value = value;
 }
 public int getValue(){
 return this.value;
 }
}

如果想增加一个增加的方法呢？

public class Immutable{
 private int value = 0;
 public Immutable(int value){
 this.value = value;
 }
 public int getValue(){
 return this.value;
 }
 
 public Immutable add(int v){
 return new Immutable(this.value + v);
 } 
}

实例分析

例1：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全？
 Map<String,Object> map = new HashMap<>();
 // 是否安全？
 String S1 = "...";
 // 是否安全？
 final String S2 = "...";
 // 是否安全？
 Date D1 = new Date();
 // 是否安全？
 final Date D2 = new Date();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
  // 使用上述变量
 }
}

除了字符串能保证线程安全外，其他均不可

例2：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全？
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
 // 记录调用次数
 private int count = 0;
 
 public void update() {
 // ...
 count++;
 }
}

Servlet体系结构是建立在Java多线程机制之上的，它的生命周期是由Web容器负责的。当客户端第一次请求某个Servlet时，Servlet容器将会根据web.xml配置文件实例化这个Servlet类。当有新的客户端请求该Servlet时，一般不会再实例化该Servlet类，也就是有多个线程在使用这个实例。Servlet容器会自动使用线程池等技术来支持系统的运行，如图1所示。

这样，当两个或多个线程同时访问同一个Servlet时，可能会发生多个线程同时访问同一资源的情况，数据可能会变得不一致。所以在用Servlet构建的Web应用时如果不注意线程安全的问题，会使所写的Servlet程序有难以发现的错误。 总结下，一个Servlet究竟有几个实例呢？受如下几个原因影响： 1.是否在分布式环境中部署 2.是否实现SingleThreadModel，如果实现则最多会创建20个实例 3.在web.xml中声明了几次，即使同一个Servlet，如果声明多次，也会生成多个实例。

由于Servlet是单例的，因此成员变量userService在多个线程同时访问的时候，也只有一份实例，并且UserServiceImpl 里面还有一个count成员变量，这个变量会在多线程读写的情况下产生线程安全问题

例3：

@Aspect
@Component
public class MyAspect {
 // 是否安全？
 private long start = 0L;
 
 @Before("execution(* *(..))")
 public void before() {
 start = System.nanoTime();
 }
 
 @After("execution(* *(..))")
 public void after() {
 long end = System.nanoTime();
 System.out.println("cost time:" + (end-start));
 }
}

显然当存在多个线程的时候，如果一个线程在执行after函数的时候，另一个线程正好执行完before函数，那么此时end-start=0，显然不正确

例4：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
 // 是否安全
 private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
 
 public void update() {
 userDao.update();
 }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao { 
 public void update() {
 String sql = "update user set password = ? where username = ?";
 // 是否安全
 try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
 // ...
 } catch (Exception e) {
 // ...
 }
 }
}

UserDaoImpl里面没有成员变量，并且每个线程访问update方法时候，获取的connection是不一样的，因此不存在线程安全问题

虽然UserService在多线程情况下，还是只有一份实例，但是因为其内部没有成员变量，因此不存在线程安全的问题

UserDao同理

例5：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
 // 是否安全
 private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
 
 public void update() {
 userDao.update();
 }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
 // 是否安全
 private Connection conn = null;
 public void update() throws SQLException {
 String sql = "update user set password = ? where username = ?";
 conn = DriverManager.getConnection("","","");
 // ...
 conn.close();
 }
}

这里Connection成员变量存在被多线程共享的问题，因此会产生线程安全问题，所以记得把connection做成局部变量

例6：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService { 
 public void update() {
 UserDao userDao = new UserDaoImpl();
 userDao.update();
 }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
 // 是否安全
 private Connection = null;
 public void update() throws SQLException {
 String sql = "update user set password = ? where username = ?";
 conn = DriverManager.getConnection("","","");
 // ...
 conn.close();
 }
}

userService调用update方法每一次得到的都是一个新的userDao实例对象，那么多线程情况下，每次获取到的也是不同的userDao对象，那么userDao里面的connection虽然做成了成员变量，此时也不存在线程安全问题，因此不同的线程访问，得到的是不同的connection对象

例7：

public abstract class Test {
 
 public void bar() {
 // 是否安全
 SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
 foo(sdf);
  }
 
 public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);
 
 
 public static void main(String[] args) {
 new Test().bar();
 }
}

其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为外星方法

public void foo(SimpleDateFormat sdf) {
 String dateStr = "1999-10-11 00:00:00";
 for (int i = 0; i < 20; i++) {
 new Thread(() -> {
 try {
 sdf.parse(dateStr);
 } catch (ParseException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 }).start();
 }
}

局部变量的引用对外暴露也会导致线程不安全的情况发生,请比较 JDK 中 String 类的实现

例8：

private static Integer i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 List<Thread> list = new ArrayList<>();
 for (int j = 0; j < 2; j++) {
 Thread thread = new Thread(() -> {
 for (int k = 0; k < 5000; k++) {
 synchronized (i) {
 i++;
 }
 }
 }, "" + j);
 list.add(thread);
 }
 list.stream().forEach(t -> t.start());
 list.stream().forEach(t -> {
 try {
 t.join();
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 });
  log.debug("{}", i);
}

Monitor 概念

Java 对象头

以 32 位虚拟机为例

普通对象

数组对象:

Mark Word结构:

Monitor 原理

Monitor 被翻译为监视器或管程

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

Monitor 结构如下

过程解析

初始状态,给对象obj加上同步锁,此时线程2执行到临界区代码

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 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED
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，竞争的时是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING状态的线程，后面讲 wait-notify 时会分析

注意： synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果 不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

synchronized 原理

static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
 synchronized (lock) {
 counter++;
 }
}

对应的字节码为

public static void main(java.lang.String[]);
 descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
 stack=2, locals=3, args_size=1
 0: getstatic #2 // <- lock引用 （synchronized开始）
 3: dup
 4: astore_1 // lock引用 -> slot 1
 5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
 6: getstatic #3 // <- i
 9: iconst_1 // 准备常数 1
 10: iadd // +1
 11: putstatic #3 // -> i
 14: aload_1 // <- lock引用
 15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
 16: goto 24
 //异常处理
 19: astore_2 // e -> slot 2 
 20: aload_1 // <- lock引用
 21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
 22: aload_2 // <- slot 2 (e)
 23: athrow // throw e
 24: return
 Exception table:
 //如果6-16,19-22之间出现异常，那么来到19行，进行异常的处理
 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;
 StackMapTable: number_of_entries = 2
 frame_type = 255 /* full_frame */
 offset_delta = 19
 locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]
 stack = [ class java/lang/Throwable ]
 frame_type = 250 /* chop */
 offset_delta = 4

注意 方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

从上面字节码也可以看出，如果出现了异常，也不会造成死无法释放的事情出现

小故事

故事角色

老王 - JVM
小南 - 线程
小女 - 线程
房间 - 对象
房间门上 - 防盗锁 - Monitor
房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向

小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是防盗锁，当上下文切换时，锁住门。这样，即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。

但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？

小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式。

后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍然觉得麻烦。

于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，下次来用房间时，只要名字还在，那么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦掉，升级为挂书包的方式。

同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老王觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字

后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包

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要加锁，但加锁的时间是错开的（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

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

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
 }
}

创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都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

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

如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程 如果是自己执行了 synchronized,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）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，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，说明轻量级锁进行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它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 ) {
 // 同步块
 }
}

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 BLOCKED

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 Monitor 地址找到 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

自旋重试失败的情况

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。
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，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，总之，比较智能。
Java 7 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），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 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

例如：

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
 synchronized( obj ) {
 // 同步块 A
 m2();
 }
}
public static void m2() {
 synchronized( obj ) {
 // 同步块 B
 m3();
 }
}
public static void m3() {
 synchronized( obj ) {
  // 同步块 C
 }
}

可以简单将cas（compare and set）操作，理解为用锁记录替换markword的操作

偏向状态

回忆一下对象头格式

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，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的thread、epoch、age 都为 0
偏向锁是默认是延迟的，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，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值

1）测试延迟特性

2）测试偏向锁

class Dog {}

利用 jol 第三方工具来查看对象头信息（注意这里我扩展了 jol 让它输出更为简洁）

// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 
public static void main(String[] args) throws IOException {
 Dog d = new Dog();
 ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
 new Thread(() -> {
 log.debug("synchronized 前");
 System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
 synchronized (d) {
 log.debug("synchronized 中");
 System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
 }
 log.debug("synchronized 后");
 System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
 }, "t1").start();
 }

输出(markword)

11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101

注意 处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

3）测试禁用

在上面测试代码运行时在添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

输出

11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

正常状态—轻量级锁—解锁，恢复正常状态

上面这些值，除了最后两位标注当前为正常状态，其余值默认为0，用的时候才会赋值

测试 hashCode

正常状态对象一开始是没有 hashCode 的，第一次调用才生成

为什么调用对象的hashcode方法会禁用对象的偏向锁?

偏向锁开启后，因为线程id存储占了54位，因此没有地方存放hashcode了，如果调用对象的hashcode方法，意味着需要在markword中开辟地方存放hashcode,所以这里就发生了诡异的事情，即禁用了偏向锁，来存放hashcode，当前对象恢复为了正常状态

轻量级锁和重量级锁会不会存在这样的问题?

不会，因为轻量级锁中，hashcode存放在锁记录中，而重量级锁中，hashcode存放在monitor对象中

撤销 - 调用对象 hashCode

不懂的，回看上面

调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销

轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

在调用 hashCode 后使用偏向锁，记得去掉 -XX:-UseBiasedLocking

输出

11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015 
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001

撤销 - 其它线程使用对象—偏向锁转为轻量级锁的情况

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

private static void test2() throws InterruptedException {
 Dog d = new Dog();
 
 //线程1执行
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 
 synchronized (d) {
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 synchronized (TestBiased.class) {
 TestBiased.class.notify();
 }
 
 // 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释
 // 因为：t1 线程不能结束，否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程，底层线程 id 是一样的
 /*try {
 System.in.read();
 } catch (IOException e) {
 e.printStackTrace();
 }*/
 
 }, "t1");
 
 t1.start();
 
 //线程2执行
 Thread t2 = new Thread(() -> 
 {
 
 synchronized (TestBiased.class) 
 {
 
 try {
 TestBiased.class.wait();
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 
 }
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 synchronized (d)
  {
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 }, "t2");
 
 t2.start();
 
}

输出

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

这里使用wait–notify是为了让线程1和线程2错开执行，即线程1执行完了，再去执行线程2，否则线程1还没指向完，线程2就来了，那么此时无论是偏向锁还是轻量级锁，都会变成重量级锁，因此线程2需要被阻塞住，等待线程1执行完

上面线程1和线程2错开执行后，线程1一开始是偏向锁，相当于在门上标注了自己的名字，这样做的好处是建立在这个房间长期都是线程1一个人用的时候，非常方便，因此下次过来，只要看见房间上刻着的是自己的名字，就可以直接进去

而当线程2过来后，发现房间上刻着线程1的名字，但此时线程1又不在房间里面，因此线程2会将线程1的名字察掉，在门口挂上自己的书本，即此时锁由偏向锁变为轻量级锁

当线程2处理完事情，从房间离开后，把自己的书包带走了，此时房间不属于任何人，恢复了正常的状态

偏向锁和轻量级锁的前提都是建立在两个线程是错开执行，而不会产生同时执行的可能

撤销 - 调用 wait/notify

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Dog d = new Dog();
 Thread t1 = new Thread(() -> 
 {
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 synchronized (d) 
 {
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 try 
 {
 d.wait();
 }
  catch (InterruptedException e) 
  {
 e.printStackTrace();
 }
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 }
 
 }, "t1");
 
 t1.start();
 
 new Thread(() -> 
 {
 
 try 
 {
 Thread.sleep(6000);
 } 
 catch (InterruptedException e)
  {
 e.printStackTrace();
 }
 
 synchronized (d) 
 {
 log.debug("notify");
 d.notify();
 }
 
 }, "t2").start();
 
}

输出

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101 
[t2] - notify 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010

可以看出，调用wait–notify时，也会撤销偏向锁，因为wait–notify只有重量级锁才有，因此调用wait–notify后，偏向锁或者轻量级锁，都会升级为重量级锁

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 的对象仍有机会重新偏向 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

private static void test3() throws InterruptedException {
 Vector<Dog> list = new Vector<>();
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 30; i++) {
 Dog d = new Dog();
 list.add(d);
 //这里给30个dog对象加上的都是偏向锁
 synchronized (d) {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 }
 //上面操作执行完后，唤醒t2线程
 synchronized (list) {
 list.notify();
 } 
 }, "t1");
 t1.start();
 
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 synchronized (list) {
 try {
 //等待t1执行.....
 list.wait();
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 }
 log.debug("===============> ");
 //t1执行完了，t2开始执行
 for (int i = 0; i < 30; i++) {
 //取出30个dog对象
 Dog d = list.get(i);
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 synchronized (d) {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 }, "t2");
 t2.start();
}

输出

[t1] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - ===============> 
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000 
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101 
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101

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

static Thread t1,t2,t3;
private static void test4() throws InterruptedException {
 Vector<Dog> list = new Vector<>();
 int loopNumber = 39;
 t1 = new Thread(() -> 
 {
 
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) 
 {
 
 Dog d = new Dog();
 
 list.add(d);
 
 //t1给40个dog对象都加上了偏向锁
 synchronized (d) 
 {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 }
 
 LockSupport.unpark(t2);
 
 }, "t1");
 
 t1.start();
 
 t2 = new Thread(() -> 
 {
 
 LockSupport.park();
 
 log.debug("===============> ");
 
 //t1执行完后，执行t2
 //还是前20个对象，都是撤销偏向锁---》轻量级锁----》恢复正常状态
 //后面的对象全部偏向t2线程
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) 
 {
 
 Dog d = list.get(i);
 
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 synchronized (d) 
 {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 }
 
 LockSupport.unpark(t3);
 
 }, "t2");
 
 t2.start();
 
 t3 = new Thread(() ->
  {
  
 LockSupport.park();
 
 log.debug("===============> ");
 
 //t2执行完后，执行t3
 //因为前20个对象已经是不可偏向的了，因此还是不可偏向---》轻量级锁----》不可偏向
 //后面20个对象，都是偏向t2的，因此还是执行偏向撤销操作
 //撤销偏向锁----》轻量级锁----》恢复正常状态
 //当最后我们想new一个dog对象的时候，这时dog类的对象偏向锁的撤销次数达到了40次，因此会变为不可偏向的状态
 //但是注意:当dog类的对象，撤销偏向锁的次数达到40次后，那么该类的对象都会变为不可偏向的状态，即最后三位是001
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++)
  {
  
 Dog d = list.get(i);
 
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 synchronized (d) 
 {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 }
 
 }, "t3");
 
 t3.start();
 
 t3.join();
 
 //创建的新对象也是不可偏向的
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintableSimple(true));
}

锁偏向的论文

锁消除

@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)//计算平均每个测试方法执行时间
@Warmup(iterations=3)//热身三组
@Measurement(iterations=5)//循环执行五次
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)//输出单位是纳秒
public class MyBenchmark {
 static int x = 0;
 //测试方法1
 @Benchmark
 public void a() throws Exception {
 x++;
 }
 
 @Benchmark
 public void b() throws Exception {
 //因为这里的局部变量不会逃逸出当前的方法去执行范围，因此下面的锁其实意义不大，因此jvm的jit即时编译器会对其进行优化操作
 //将下面方法的synchronized 优化掉，变为x++操作
 Object o = new Object();
 synchronized (o) {
 x++;
  }
 }
}

锁消除默认开启

java -jar benchmarks.jar

输出

Benchmark Mode Samples Score Score error Units 
c.i.MyBenchmark.a avgt 5 1.542 0.056 ns/op 
c.i.MyBenchmark.b avgt 5 1.518 0.091 ns/op

可以看出，两者的执行速度基本没太大差别

不开启锁消除

java -XX:-EliminateLocks -jar benchmarks.jar

输出

Benchmark Mode Samples Score Score error Units 
c.i.MyBenchmark.a avgt 5 1.507 0.108 ns/op 
c.i.MyBenchmark.b avgt 5 16.976 1.572 ns/op

速度差异还是比较大的

锁粗化

对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，可以使用锁粗化方式来优化，这不同于之前讲的细分锁的粒度。

把很多次锁的请求合并成一个请求，以降低短时间内大量锁请求、同步、释放带来的性能损耗。

public void doSomethingMethod(){
    synchronized(lock){
        //do some thing
    }
    //这是还有一些代码，做其它不需要同步的工作，但能很快执行完毕
    synchronized(lock){
        //do other thing
    }
}

上面的代码是有两块需要同步操作的，但在这两块需要同步操作的代码之间，需要做一些其它的工作，而这些工作只会花费很少的时间，那么我们就可以把这些工作代码放入锁内，将两个同步代码块合并成一个，以降低多次锁请求、同步、释放带来的系统性能消耗，合并后的代码如下:

public void doSomethingMethod(){
    //进行锁粗化：整合成一次锁请求、同步、释放
    synchronized(lock){
        //do some thing
        //做其它不需要同步但能很快执行完的工作
        //do other thing
    }
}

注意：这样做是有前提的，就是中间不需要同步的代码能够很快速地完成，如果不需要同步的代码需要花很长时间，就会导致同步块的执行需要花费很长的时间，这样做也就不合理了。

另一种需要锁粗化的极端的情况是：

for(int i=0;i<size;i++){
    synchronized(lock){
    }
}

上面代码每次循环都会进行锁的请求、同步与释放，看起来貌似没什么问题，且在jdk内部会对这类代码锁的请求做一些优化，但是还不如把加锁代码写在循环体的外面，这样一次锁的请求就可以达到我们的要求，除非有特殊的需要：循环需要花很长时间，但其它线程等不起，要给它们执行的机会。

锁粗化后的代码如下：

synchronized(lock){
    for(int i=0;i<size;i++){
    }
}

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。

原始发表：2021-12-19 ，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

servlet

java

编程算法

本文分享自作者个人站点/博客前往查看

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与腾讯云自媒体同步曝光计划，欢迎热爱写作的你一起参与！

servlet

java

编程算法