【搞定Java并发编程】第5篇：synchronized关键字

超、凢脫俗 2022-04-11 12:06 240阅读 0赞

### 多线程上篇：[https://blog.csdn.net/pcwl1206/article/details/84837530][https_blog.csdn.net_pcwl1206_article_details_84837530] ###

### 多线程下篇：[https://blog.csdn.net/pcwl1206/article/details/84843170][https_blog.csdn.net_pcwl1206_article_details_84843170] ###

### 本文转发自：[https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483][https_blog.csdn.net_javazejian_article_details_72828483] ###

**这是一篇值得多读几遍、细细揣摩其中深意的文章！**

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## **目  录：** ##

1、Synchronized的三种应用方式

1.1、synchronized作用于实例方法

1.2、synchronized作用于静态方法

1.3、synchronized同步代码块

2、synchronized底层语义原理

2.1、理解Java对象头与Monitor

2.2、synchronized代码块底层原理

2.3、synchronized方法底层原理

3、Java虚拟机对synchronized的优化

3.1、偏向锁

3.2、轻量级锁

3.3、自旋锁

3.4、锁消除

4、关于synchronized 需要了解的关键点

4.1、synchronized的可重入性

4.2、线程中断与synchronized

4.3、等待唤醒机制与synchronized

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线程安全是并发编程中的重要关注点，应该注意到的是，造成线程安全问题的主要诱因有两点，**一是存在共享数据(也称临界资源)，二是存在多条线程共同操作共享数据**。因此为了解决这个问题，我们可能需要这样一个方案，当存在多个线程操作共享数据时，需要**保证同一时刻有且只有一个线程在操作共享数据，其他线程必须等到该线程处理完数据后再进行**，这种方式有个高尚的名称叫**互斥锁**，即能达到互斥访问目的的锁，也就是说**当一个共享数据被当前正在访问的线程加上互斥锁后，在同一个时刻，其他线程只能处于等待的状态，直到当前线程处理完毕释放该锁**。

在 Java 中，**关键字 synchronized可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)，同时我们还应该注意到synchronized另外一个重要的作用，synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到（保证可见性，完全可以替代Volatile功能），这点确实也是很重要的。**

# **1、Synchronized的三种应用方式** #

synchronized关键字最主要有以下3种应用方式，下面分别介绍：

> 1、**修饰实例方法**，作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁；
> 
> 2、**修饰静态方法**，作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁；
> 
> 3、**修饰代码块**，指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码库前要获得给定对象的锁。

--------------------

## 1.1、synchronized作用于实例方法 ##

所谓的实例对象锁就是用synchronized修饰实例对象中的实例方法，注意是实例方法不包括静态方法，如下：

public class AccountingSync implements Runnable {
    
    	// 共享资源（临界资源）
    	static int i = 0;
    	
    	public synchronized void increase(){
    		i++;
    	}
    	
    	@Override
    	public void run() {
    		for(int j = 0; j < 10000; j++){
    			increase();
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	
    		AccountingSync instance = new AccountingSync();
    		Thread t1 = new Thread(instance);
    		Thread t2 = new Thread(instance);
    		
    		t1.start();
    		t2.start();
    		
    		t1.join();
    		t2.join();
    		
    		System.out.println(i);   // 输出结果20000
    	}
    }

运行结果：

![20181206120826722.png][]

上述代码中，我们开启两个线程操作同一个共享资源即变量 i ，由于**i++操作并不具备原子性**，该操作是先读取值，然后写回一个新值，相当于原来的值加上1，分两步完成，如果第二个线程在第一个线程读取旧值和写回新值期间读取 i 的值，那么第二个线程就会与第一个线程一起看到同一个值，并执行相同值的加1操作，这也就造成了线程安全失败，因此对于increase方法必须使用synchronized修饰，以便保证线程安全。

此时我们应该注意到synchronized修饰的是实例方法increase，在这样的情况下，当前线程的锁便是实例对象instance，注意Java中的线程同步锁可以是任意对象。从代码执行结果来看确实是正确的，倘若我们没有使用synchronized关键字，其最终输出结果就很可能**小于20000**，这便是synchronized关键字的作用。

这里我们还需要意识到，当一个线程正在访问一个对象的 synchronized 实例方法，那么其他线程不能访问该对象的其他 synchronized 方法，毕竟一个对象只有一把锁，当一个线程获取了该对象的锁之后，其他线程无法获取该对象的锁，所以无法访问该对象的其他synchronized实例方法，但是其他线程还是可以访问该实例对象的其他非synchronized方法，当然如果是一个线程 A 需要访问实例对象 obj1 的 synchronized 方法 f1(当前对象锁是obj1)，另一个线程 B 需要访问实例对象 obj2 的 synchronized 方法 f2(当前对象锁是obj2)，这样是允许的，因为两个实例对象锁并不同相同，此时如果两个线程操作数据并非共享的，线程安全是有保障的，遗憾的是如果两个线程操作的是共享数据，那么线程安全就有可能无法保证了，如下代码将演示出该现象：

public class AccountingSyncBad implements Runnable {
    
    	static int i = 0;
    	
    	public synchronized void increase(){
    		i++;
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		for(int j = 0; j < 10000; j++){
    			increase();
    		}
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		
                    // new了两个AccountingSyncBad对象
    		Thread t1 = new Thread(new AccountingSyncBad());
    		Thread t2 = new Thread(new AccountingSyncBad());
    		
    		t1.start();
    		t2.start();
    		
    		// join含义:当前线程等待thread线程终止之后才能从thread.join()返回
    		t1.join();
    		t2.join();
    		
    		System.out.println(i);
    	}
    }

运行结果：

![20181206123210380.png][]

上述代码与前面不同的是我们同时创建了**两个新实例AccountingSyncBad**，然后启动**两个不同的线程**对共享变量 i 进行操作，但很遗憾操作结果是18825而不是期望结果20000，因为上述代码犯了严重的错误，虽然我们使用synchronized修饰了increase方法，但却**new了两个不同的实例对象，这也就意味着存在着两个不同的实例对象锁，因此 t1 和 t2 都会进入各自的对象锁，也就是说 t1 和 t2 线程使用的是不同的锁，因此线程安全是无法保证的**。解决这种困境的的方式是将synchronized作用于静态的increase方法，这样的话，对象锁就当前类对象，由于无论创建多少个实例对象，但对于的类对象拥有只有一个，所有在这样的情况下对象锁就是唯一的。下面我们看看如何使用将synchronized作用于静态的increase方法。

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## 1.2、synchronized作用于静态方法 ##

**当synchronized作用于静态方法时，其锁就是当前类的class对象锁**。由于静态成员不专属于任何一个实例对象，是类成员，因此**通过class对象锁可以控制静态成员的并发操作**。需要注意的是如果一个线程A调用一个实例对象的非static synchronized方法，而线程B需要调用这个实例对象所属类的静态 synchronized方法，是允许的，不会发生互斥现象，因为访问静态 synchronized 方法占用的锁是当前类的class对象，而访问非静态 synchronized 方法占用的锁是当前实例对象锁，看如下代码：

public class AccountingSyncClass implements Runnable {
    
    	static int i = 0;
    	
    	// increase()方法是静态方法，锁是当前class对象，也就是AccountingSyncClass类对应的class对象
    	public static synchronized void increase(){
    		i++;
    	}
    	
    	// 非静态方法，访问时锁不一样，所以不会发生互斥
    	public synchronized void increase2(){
    		i++;
    	}
    	
    	@Override
    	public void run() {
    		for(int j = 0; j < 10000; j++){
    			increase();
    		}
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		
    		// new两个 AccountingSyncClass实例
    		Thread t1 = new Thread(new AccountingSyncClass());
    		Thread t2 = new Thread(new AccountingSyncClass());
    		
    		// 启动线程
    		t1.start();
    		t2.start();
    		
    		t1.join();
    		t2.join();
    		
    		System.out.println(i);
    	}
    }

运行结果：

![20181206135406419.png][]

由于synchronized关键字修饰的是静态increase方法，与修饰实例方法不同的是，其**锁对象是当前类的class对象**。注意代码中的**increase2方法是实例方法，其对象锁是当前实例对象**，如果别的线程调用该方法，将不会产生互斥现象，毕竟锁对象不同，但我们应该意识到这种情况下可能会发现线程安全问题(操作了共享静态变量 i )。

## 1.3、synchronized同步代码块 ##

除了使用关键字修饰实例方法和静态方法外，还可以使用同步代码块，**在某些情况下，我们编写的方法体可能比较大，同时存在一些比较耗时的操作，而需要同步的代码又只有一小部分，如果直接对整个方法进行同步操作，可能会得不偿失，此时我们可以使用同步代码块的方式对需要同步的代码进行包裹，这样就无需对整个方法进行同步操作了**，同步代码块的使用示例如下：

public class AccountingSyncBlock implements Runnable {
    
    	static AccountingSyncBlock instance = new AccountingSyncBlock();
    	
    	static int i = 0;
    	
    	@Override
    	public void run() {
    		// 省略其他耗时操作...
    		// 使用同步代码块进行同步操作，锁对象为instance
    		synchronized (instance) {
    			for(int j = 0; j < 10000; j++){
    				i++;
    			}
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		
    		Thread t1 = new Thread(instance);
    		Thread t2 = new Thread(instance);
    		
    		t1.start();
    		t2.start();
    		
    		t1.join();
    		t2.join();
    		
    		System.out.println(i);
    	}
    }

运行结果：

![20181206140531467.png][]

从代码看出，将**synchronized作用于一个给定的实例对象instance，即当前实例对象就是锁对象，每次当线程进入synchronized包裹的代码块时就会要求当前线程持有instance实例对象锁，如果当前有其他线程正持有该对象锁，那么新到的线程就必须等待，这样也就保证了每次只有一个线程执行 i++ 操作**。当然除了instance作为对象外，我们还可以使用this对象(代表当前实例)或者当前类的class对象作为锁，如下代码：

//this：当前实例对象锁
    synchronized(this){
        for(int j=0;j<10000;j++){
            i++;
        }
    }
    
    // class对象锁
    synchronized(AccountingSync.class){
        for(int j=0;j<10000;j++){
            i++;
        }
    }

了解完synchronized的基本含义及其使用方式后，下面我们将进一步深入理解synchronized的底层实现原理。

# 2、synchronized底层语义原理 #

**Java 虚拟机中的同步(Synchronization)基于进入和退出管程(Monitor)对象实现**， 无论是显式同步(有明确的 monitorenter 和 monitorexit 指令，即同步代码块)还是隐式同步都是如此。

在 Java 语言中，同步用的最多的地方可能是被 synchronized 修饰的同步方法。同步方法并不是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 **ACC\_SYNCHRONIZED** 标志来隐式实现的，关于这点，稍后详细分析。下面先来了解一个概念：Java对象头，这对深入理解synchronized实现原理非常关键。

## **2.1、理解Java对象头与Monitor** ##

在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：**对象头、实例数据**和**对齐填充**。如下：

![20181206141344426.png][]

**实例变量：**存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

**填充数据：**由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐，这点了解即可。

**Java头对象：**顶部位置，它是实现synchronized锁对象的基础。这点我们重点分析，一般而言，synchronized使用的锁对象是存储在Java对象头里的，JVM中采用2个字来存储对象头(如果对象是数组则会分配3个字，多出来的1个字记录的是数组长度)，其主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address 组成，其结构说明如下表：

![2018120614165871.png][]

其中Mark Word在默认情况下存储着对象的HashCode、分代年龄、锁标记位等，以下是32位JVM的Mark Word默认存储结构。

![20181206141724931.png][]

由于**对象头的信息是与对象自身定义的数据没有关系的额外存储成本**，因此考虑到JVM的空间效率，Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构，以便存储更多有效的数据，它会根据对象本身的状态复用自己的存储空间，如32位JVM下，除了上述列出的Mark Word默认存储结构外，还有如下可能变化的结构：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3Bjd2wxMjA2_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

其中轻量级锁和偏向锁是 JDK6 对 synchronized 锁进行优化后新增加的，稍后我们会简要分析。这里我们主要分析一下**重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁**，锁标识位为10，其中指针指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但**当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态**。在Java虚拟机(HotSpot)中，**monitor是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下**（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的）：

ObjectMonitor() {
        _header       = NULL;
        _count        = 0;     //记录个数
        _waiters      = 0,
        _recursions   = 0;
        _object       = NULL;
        _owner        = NULL;
        _WaitSet      = NULL;  //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
        _WaitSetLock  = 0 ;
        _Responsible  = NULL ;
        _succ         = NULL ;
        _cxq          = NULL ;
        FreeNext      = NULL ;
        _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
        _SpinFreq     = 0 ;
        _SpinClock    = 0 ;
        OwnerIsThread = 0 ;
      }

ObjectMonitor中有两个队列，\_WaitSet 和 \_EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象)，\_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，**当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 \_EntryList 集合，当线程获取到对象的 monitor 后进入 \_owner 区域，并把monitor中的owner变量设置为当前线程持有monitor中的计数器count加1，若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet 集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)**。如下图所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3Bjd2wxMjA2_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

由此看来，monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是notify/notifyAll/wait等方法存在于顶级对象Object中的原因(关于这点稍后还会进行分析)，ok~，有了上述知识基础后，下面我们将进一步分析synchronized在字节码层面的具体语义实现。

## 2.2、synchronized代码块底层原理 ##

现在我们重新定义一个synchronized修饰的同步代码块，在代码块中操作共享变量i，如下

public class SyncCodeBlock {
    
       public int i;
    
       public void syncTask(){
           //同步代码库
           synchronized (this){
               i++;
           }
       }
    }

编译上述代码并使用javap反编译后得到字节码如下(这里省略一部分没有必要的信息)：

Classfile /Users/zju/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zju/concurrencys/SyncCodeBlock.class
      Last modified 2017-6-2; size 426 bytes
      MD5 checksum c80bc322c87b312de760942820b4fed5
      Compiled from "SyncCodeBlock.java"
    public class com.zju.concurrencys.SyncCodeBlock
      minor version: 0
      major version: 52
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    Constant pool:
      //........省略常量池中数据
      //构造函数
      public com.zju.concurrencys.SyncCodeBlock();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=1, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
             4: return
          LineNumberTable:
            line 7: 0
      //===========主要看看syncTask方法实现================
      public void syncTask();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC
        Code:
          stack=3, locals=3, args_size=1
             0: aload_0
             1: dup
             2: astore_1
             3: monitorenter  //注意此处，进入同步方法
             4: aload_0
             5: dup
             6: getfield      #2             // Field i:I
             9: iconst_1
            10: iadd
            11: putfield      #2            // Field i:I
            14: aload_1
            15: monitorexit   //注意此处，退出同步方法
            16: goto          24
            19: astore_2
            20: aload_1
            21: monitorexit //注意此处，退出同步方法
            22: aload_2
            23: athrow
            24: return
          Exception table:
          //省略其他字节码.......
    }
    SourceFile: "SyncCodeBlock.java"

我们主要关注字节码中的如下代码:

3: monitorenter      // 进入同步方法
    // ..........省略其他  
    15: monitorexit      // 退出同步方法
    16: goto          24
    // 省略其他.......
    21: monitorexit      // 退出同步方法

从字节码中可知**同步语句块的实现使用的是monitorenter 和 monitorexit 指令**，其中monitorenter指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit指令则指明同步代码块的结束位置。

当执行monitorenter指令时，当前线程将试图获取 objectref(即对象锁) 所对应的 monitor 的持有权，当 objectref 的 monitor 的进入计数器为 0，那线程可以成功取得 monitor，并将计数器值设置为 1，取锁成功。如果当前线程已经拥有 objectref 的 monitor 的持有权，那它可以重入这个 monitor (关于重入性稍后会分析)，重入时计数器的值也会加 1。倘若其他线程已经拥有 objectref 的 monitor 的所有权，那当前线程将被阻塞，直到正在执行线程执行完毕，即monitorexit指令被执行，执行线程将释放 monitor(锁)并设置计数器值为0 ，其他线程将有机会持有 monitor 。

值得注意的是编译器将会确保无论方法通过何种方式完成，方法中调用过的每条 monitorenter 指令都有执行其对应 monitorexit 指令，而无论这个方法是正常结束还是异常结束。为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。从字节码中也可以看出**多了一个monitorexit指令，它就是异常结束时被执行的释放 monitor 的指令**。

## 2.3、synchronized方法底层原理 ##

**方法级的同步是隐式的，即无需通过字节码指令来控制的，它实现在方法调用和返回操作之中**。JVM可以从方法常量池中的方法表结构(method\_info Structure) 中的 **ACC\_SYNCHRONIZED 访问标志区分一个方法是否同步方法**。

当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC\_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，如果设置了，执行线程将先持有monitor（虚拟机规范中用的是“管程”一词）， 然后再执行方法，最后在方法完成(无论是正常完成还是非正常完成)时释放monitor。在方法执行期间，执行线程持有了monitor，其他任何线程都无法再获得同一个monitor。如果一个同步方法执行期间抛出了异常，并且在方法内部无法处理此异常，那这个同步方法所持有的monitor将在异常抛到同步方法之外时自动释放。下面我们看看字节码层面如何实现：

public class SyncMethod {
    
       public int i;
    
       public synchronized void syncTask(){
               i++;
       }
    }

使用javap反编译后的字节码如下：

Classfile /Users/zju/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zju/concurrencys/SyncMethod.class
      Last modified 2017-6-2; size 308 bytes
      MD5 checksum f34075a8c059ea65e4cc2fa610e0cd94
      Compiled from "SyncMethod.java"
    public class com.zju.concurrencys.SyncMethod
      minor version: 0
      major version: 52
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    Constant pool;
    
       //省略没必要的字节码
      //==================syncTask方法======================
      public synchronized void syncTask();
        descriptor: ()V
        //方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰，ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
        Code:
          stack=3, locals=1, args_size=1
             0: aload_0
             1: dup
             2: getfield      #2                  // Field i:I
             5: iconst_1
             6: iadd
             7: putfield      #2                  // Field i:I
            10: return
          LineNumberTable:
            line 12: 0
            line 13: 10
    }
    SourceFile: "SyncMethod.java"

从字节码中可以看出，synchronized修饰的方法并没有monitorenter指令和monitorexit指令，取得代之的确实是**ACC\_SYNCHRONIZED标识，该标识指明了该方法是一个同步方法。**JVM通过该ACC\_SYNCHRONIZED访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。这便是synchronized锁在同步代码块和同步方法上实现的基本原理。

同时我们还必须注意到的是在Java早期版本中，**synchronized属于重量级锁**，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，而**操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高**，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因。庆幸的是在JDK6之后Java官方对从JVM层面对synchronized较大优化，所以现在的synchronized锁效率也优化得很不错了，JDK6之后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁，接下来我们将简单了解一下Java官方在JVM层面对synchronized锁的优化。

--------------------

# 3、Java虚拟机对synchronized的优化 #

锁的状态总共有四种，**无锁状态、偏向锁、轻量级锁**和**重量级锁**。**随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级**。

关于重量级锁，前面我们已详细分析过，下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及JVM的其他优化手段，这里并不打算深入到每个锁的实现和转换过程更多地是阐述Java虚拟机所提供的每个锁的核心优化思想，毕竟涉及到具体过程比较繁琐，如需了解详细过程可以查阅《深入理解Java虚拟机原理》。

## 3.1、偏向锁 ##

偏向锁是JDK6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此**为了减少同一线程获取锁**(会涉及到一些CAS操作，耗时)**的代价而引入偏向锁。**

**偏向锁的核心思想是：如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。**

所以，**对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁**。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

## 3.2、轻量级锁 ##

**倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段**(JDK1.6之后加入的)。此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。

轻量级锁能够提升程序性能的依据是“**对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争**”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

## 3.3、自旋锁 ##

**轻量级锁失败后，虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起，还会进行一项称为自旋锁的优化手段。**

这是基于在大多数情况下，线程持有锁的时间都不会太长，如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失，毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态，这个状态之间的转换需要相对比较长的时间，时间成本相对较高。因此**自旋锁会假设在不久将来，当前的线程可以获得锁，因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环**(这也是称为自旋的原因)。一般不会太久，可能是50个循环或100循环，在经过若干次循环后，如果得到锁，就顺利进入临界区。如果还不能获得锁，那就会将线程在操作系统层面挂起，这就是自旋锁的优化方式，这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

## 3.4、锁消除 ##

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底。Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，**去除不可能存在共享资源竞争的锁**，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁的时间。

如下，StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

public class StringBufferRemoveSync {
    
        public void add(String str1, String str2) {
            //StringBuffer是线程安全,由于sb只会在add方法中使用,不可能被其他线程引用
            //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
            StringBuffer sb = new StringBuffer();
            sb.append(str1).append(str2);
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                rmsync.add("abc", "123");
            }
        }
    }

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# 4、关于synchronized 需要了解的关键点 #

## 4.1、synchronized的可重入性 ##

**从互斥锁的设计上来说，当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，这种情况属于重入锁，请求将会成功。**在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说**一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性**。如下：

public class AccountingSync implements Runnable {
    
    	static AccountingSync instance = new AccountingSync();
    	static int i = 0;
    	static int j = 0;
    	
    	@Override
    	public void run() {
    		for(int j = 0; j < 10000; j++){
    			// this：当前实例对象锁
    			synchronized (this) {
    				i++;
    				increase();
    			}
    		}
    	}
    
    	public synchronized void increase(){
    		j++;
    	}
    	
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	
    		Thread t1 = new Thread(instance);
    		Thread t2 = new Thread(instance);
    		
    		t1.start();
    		t2.start();
    		
    		t1.join();
    		t2.join();
    		
    		System.out.println(i);   // 输出结果20000
    	}
    }

运行结果：

![20181206152749895.png][]

正如代码所演示的，在获取当前实例对象锁后进入synchronized代码块执行同步代码，并在代码块中调用了当前实例对象的另外一个synchronized方法。再次请求当前实例锁时，将被允许，进而执行方法体代码，这就是重入锁最直接的体现。

需要特别注意另外一种情况，**当子类继承父类时，子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法**。注意由于synchronized是基于monitor实现的，因此每次重入，monitor中的计数器仍会加1。

## 4.2、线程中断与synchronized ##

### 4.2.1、线程中断 ###

正如“中断”二字所表达的意义，在线程运行(run方法)中间打断它，在Java中，提供了以下3个有关线程中断的方法。

//中断线程（实例方法）
    public void Thread.interrupt();
    
    //判断线程是否被中断（实例方法）
    public boolean Thread.isInterrupted();
    
    //判断线程是否被中断并清除当前中断状态（静态方法）
    public static boolean Thread.interrupted();

当一个线程处于被阻塞状态或者试图执行一个阻塞操作时，使用**`Thread.interrupt()`**方式中断该线程。注意此时将会抛出一个InterruptedException的异常，同时中断状态将会被复位(由中断状态改为非中断状态)，如下代码将演示该过程：

public class InterruptSleepThread {
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		
    		Thread t1 = new Thread() {
    			@Override
    			public void run() {
    				// while在try中，通过异常中断就可以退出run循环
    				try {
    					while (true) {
    						// 当前线程处于阻塞状态，异常必须捕捉处理，无法往外抛出
    						TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    					}
    				} catch (InterruptedException e) {
    					System.out.println("Interruted When Sleep");
    					boolean interrupt = this.isInterrupted();
    					// 中断状态被复位
    					System.out.println("interrupt:" + interrupt);
    				}
    			}
    		};
    		t1.start();
    		TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    		// 中断处于阻塞状态的线程
    		t1.interrupt();
    	}
    }

运行结果：

![20181206153846237.png][]

如上述代码所示，我们创建一个线程，并在线程中调用了sleep方法从而使用线程进入阻塞状态。启动线程后，调用线程实例对象的interrupt方法中断阻塞异常，并抛出InterruptedException异常，此时中断状态也将被复位。

这里有些人可能会诧异，为什么不用Thread.sleep(2000);而是用TimeUnit.SECONDS.sleep(2);其实原因很简单，前者使用时并没有明确的单位说明，而后者非常明确表达秒的单位，事实上后者的内部实现最终还是调用了Thread.sleep(2000);，但为了编写的代码语义更清晰，建议使用TimeUnit.SECONDS.sleep(2);的方式，注意TimeUnit是个枚举类型。

除了阻塞中断的情景，我们还可能会遇到处于运行期且非阻塞的状态的线程，这种情况下，直接调用Thread.interrupt()中断线程是不会得到任响应的，如下代码，将无法中断非阻塞状态下的线程：

public class InterruptedThread {
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		
    		Thread t1 = new Thread(){
    			@Override
    			public void run(){
    				while(true){
    					System.out.println("未被中断！");
    				}
    			}
    		};
    		
    		t1.start();
    		TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    		t1.interrupt();  // 中断
    	}
    }

运行结果：

![20181206154435804.png][]

虽然我们调用了interrupt方法，但线程 t1 并未被中断，因为**处于非阻塞状态的线程需要我们手动进行中断检测并结束程序**，改进后代码如下：

public class InterruptedThread {
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		
    		Thread t1 = new Thread(){
    			@Override
    			public void run(){
    				while(true){
    					// 判断当前线程是否被中断
    					if(this.isInterrupted()){						
    						System.out.println("线程中断！");
    						break;
    					}
    				}
    				System.out.println("已跳出循环！线程中断！");
    			}
    		};
    		
    		t1.start();
    		TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    		t1.interrupt();  // 中断
    	}
    }

运行结果：

![20181206154845152.png][]

我们在代码中使用了实例方法isInterrupted判断线程是否已被中断，如果被中断将跳出循环以此结束线程，注意非阻塞状态调用interrupt()并不会导致中断状态重置。

综合所述，可以简单总结一下中断两种情况：

> 1、当线程处于阻塞状态或者试图执行一个阻塞操作时，我们可以使用实例方法interrupt()进行线程中断，执行中断操作后将会抛出interruptException异常(该异常必须捕捉无法向外抛出)并将中断状态复位；
> 
> 2、当线程处于运行状态时，我们也可调用实例方法interrupt()进行线程中断，但同时必须手动判断中断状态，并编写中断线程的代码(其实就是结束run方法体的代码)。

有时我们在编码时可能需要兼顾以上两种情况，那么就可以如下编写：

public void run(){
        try {
            // 判断当前线程是否已中断,注意interrupted方法是静态的,执行后会对中断状态进行复位
            while (!Thread.interrupted()) {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            // ...
        }
    }

### 4.2.2、中断与synchronized ###

事实上线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用，**也就是对于synchronized来说，如果一个线程在等待锁，那么结果只有两种，要么它获得这把锁继续执行，要么它就保持等待，即使调用中断线程的方法，也不会生效。**演示代码如下

public class SynchronizedBlocked implements Runnable {
    
    	public synchronized void f(){
    		System.out.println("Trying to call f()");
    		while(true){  // Never releases lock
    			Thread.yield();
    		}
    	}
    	
    	// 在构造器中创建新线程并自动获取对象锁
    	public SynchronizedBlocked() {
    		// 该线程已持有当前实例锁
            new Thread() {
                public void run() {
                    f(); // Lock acquired by this thread
                }
            }.start();
    	}
    	
    	@Override
    	public void run() {
    		// 中断判断
            while (true) {
                if (Thread.interrupted()) {
                    System.out.println("中断线程!!");
                    break;
                } else {
                    f();
                }
            }
    	}
    
    	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    		SynchronizedBlocked sync = new SynchronizedBlocked();
            Thread t = new Thread(sync);
            // 启动后,调用f()方法,无法获取当前实例锁处于等待状态
            t.start();
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            // 中断线程,无法生效
            t.interrupt();
        }
    }

运行结果：

![20181206160141242.png][]

我们在SynchronizedBlocked构造函数中创建一个新线程并启动获取调用 f() 获取到当前实例锁，由于SynchronizedBlocked自身也是线程，启动后在其run方法中也调用了 f()，但由于对象锁被其他线程占用，导致 t 线程只能等待锁，此时我们调用了t.interrupt()，但并不能中断线程。

## 4.3、等待唤醒机制与synchronized ##

所谓等待唤醒机制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法。在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说**notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象**，在前面的分析中，我们知道 monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，**而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因**。

synchronized (obj) {
           obj.wait();
           obj.notify();
           obj.notifyAll();         
     }

需要特别理解的一点是，与sleep方法不同的是wait方法调用完成后，线程将被暂停，但wait方法将会释放当前持有的监视器锁(monitor)，直到有线程调用notify/notifyAll方法后方能继续执行，而sleep方法只让线程休眠并不释放锁。同时**notify/notifyAll方法调用后，并不会马上释放监视器锁，而是在相应的synchronized()\{\}/synchronized方法执行结束后才自动释放锁**。

全文结束~~~

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非常好的文章，很全面，讲诉的也比较容易理解！值得多读几遍，细细揣摩！

**多线程上篇：[https://blog.csdn.net/pcwl1206/article/details/84837530][https_blog.csdn.net_pcwl1206_article_details_84837530]**

**多线程下篇：[https://blog.csdn.net/pcwl1206/article/details/84843170][https_blog.csdn.net_pcwl1206_article_details_84843170]**

[https_blog.csdn.net_pcwl1206_article_details_84837530]: https://blog.csdn.net/pcwl1206/article/details/84837530
[https_blog.csdn.net_pcwl1206_article_details_84843170]: https://blog.csdn.net/pcwl1206/article/details/84843170
[https_blog.csdn.net_javazejian_article_details_72828483]: https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483
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