看完这篇，有人问你synchronized 关键字就不要怂

た入场券 2023-07-21 13:29 10阅读 0赞

## 写在前面 ##

锁的出现，是多线程并发编程所需要的，如果程序在并发执行，同时对一个资源进行操作，这是很容易出现问题的：多个线程同时运行，就像是活在同一个地球上不同维度的生物，它们互相感知不到对方，却在操作同一个东西，可能操作着操作着，突然东西就不见了，或者变多了。这是因为它们在同时操作，而且操作的时候没有互相告知。Java 原生的有两种实现锁的机制，一种是通过底层实现的 `synchronized` 关键字，另一种是 Doug Lea 在 JDK1.5 实现的 `java.util.concurrent` 包中的 `Lock` 类。这两种方法一种是 Java 关键字，另一种是用对象的方式，两种都实现了并发状态下对公共资源的加锁。

## synchronized 原理铺垫 ##

synchronized 是一个 Java 的关键字，能够对并发资源上锁，它由 JVM 实现，也就是说 synchronized 跟底层有关系。synchronized 关键字从 JDK 1.0 就存在了，最开始是一种代价很大的保证线程安全的方法（但也是唯一一种），在 JDK 6 被重新设计，性能大大提升。这一性能提升，一方面归功于软件代码设计的进步，另一方面也要归功于硬件的发展。

### 最初的 synchronized 关键字 ###

最开始的 synchronized 关键字，基于互斥同步的原理来实现。互斥同步的意思是说：如果一个线程在使用资源，另一个线程想要使用资源，就要等，等到能获取资源为止，这里的等就是互斥的表现，一方使用，另一方就不准使用（即阻塞）。互斥同步是一种很消耗性能的操作，这是因为实现互斥的方式：阻塞，是一种很消耗性能的操作。

这里要提到操作系统的用户态和内核态。主流的 Java 虚拟机对于 Java 线程的实现，是直接将 Java 线程映射到操作系统的原生内核线程之上的，因此实现线程阻塞和线程唤起，必须需要操作系统来帮忙完成，操作系统的用户态和内核态之间进行转换。一个线程尝试获取资源时，发生线程阻塞，这里的阻塞是操作系统来帮助进行的，操作系统由用户态转为内核态，在内核态状态下将这一条线程阻塞住。

用户态和内核态是很重要的操作系统的概念，这里不多进行学习，只记住有这么一回事就可以了。用户态和内核态在进行转换的过程中，需要保存上下文信息，将两种状态的信息都存储下来，这是很消耗资源的。因此互斥同步是很很消耗性能的，用户态和内核态之间进行转换消耗的处理器时间，甚至比同步状态下的代码执行时间还要长，这是一种非常重量级的操作，由此造成了最初的 synchronized 关键字性能很差。

### 经过改进的 synchronized 关键字 ###

最初 synchronized 关键字性能差的原因，是因为互斥同步是通过线程阻塞来实现的，而线程阻塞必然导致操作系统在用户态和内核态之间做转换，因而性能差。如果 synchronized 关键字不通过互斥同步实现（不通过阻塞线程来实现安全），那么性能说不定就会好很多。

阻塞，是一种无奈之举，因为不阻塞住线程，就不敢保证操作数据的过程是安全的。不安全最常见的现象是：一条线程读取完数据进行操作，还没保存，另一条线程就修改了数据，那么这时再保存，就会无视刚刚修改的数据，换言之，另一条线程的操作被“无效化”了。

一种比较常见的处理办法是，获取资源时记录下数据的值，在保存的时候，先比对数据是否还是当时的大小，如果是，就默认资源没有问题，可以进行保存。这也就是并发中非常重要的概念：CAS（compare and swap - 比较后交换），先比较预期的数据，如果是预期的大小，就交换值（保存）。值得一提的是，CAS 是另一种实现线程安全的方式：JUC 包的核心逻辑。（但是这实际上还是有潜在问题的，比如我在早晨 10 点获取到数据知道是 1，在下午 5 点发现数据还是 1，这并不能保证数据在这段时间中没有被改过，有可能改了又改回来了，即“ABA 问题”，但好在大多数的情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性）

如果通过 CAS 操作数据，就可以代替阻塞，性能提高。CAS 的英文原名是 compare & swap，这是指 compare 和 swap 必须在一起进行，执行完 compare 就必须接着执行 swap，即这两个动作合在一起是原子性的，是不能拆开的。这也就是为什么 synchronized 关键字性能提升是需要借助于硬件技术的提高的，因为 CAS 必须由硬件执行，而不能是软件（如果是软件实现，那还是通过互斥同步的方式进行，这就没有意义了），最初的 cpu 在硬件指令集中是没有 CAS 操作的，之后才出现这一指令，JDK 5 的 Java 类库开始使用 CAS 操作，在 JDK 6 中使用该操作对 synchronized 进行了改造。

粗略地讲，synchronized 通过 CAS 操作进行改造的原理，是分了两种情况：如果只有一个线程使用资源（但在理论上有可能有别的线程抢资源），直接 CAS 保存数据就可以了，不需要阻塞线程；如果线程一多争抢资源，那没有办法，乖乖地阻塞线程，通过互斥同步来实现线程安全。

## 补充 ##

原始的 synchronized 通过互斥同步来实现线程安全，新的 synchronized 通过 CAS 操作来部分实现线程安全，这实际上也是两种思路，两种在面对并发风险时的思路。

*  互斥同步的思路是，有可能发生并发风险，那么我提前准备，一条线程使用，另一条线程就不准使用。
 *  CAS 的思路是，有可能发生并发风险，不用提前准备，先进行 CAS 操作保存，真发现了数据不一样再说。

一种是提前应对风险，将风险扼杀在摇篮中，另一种是不管风险先进行操作，产生了冲突再进行补偿措施。这两种思路实际上就是锁机制当中的“乐观锁“和”悲观锁“的思路。乐观和悲观指的是面对并发风险时的态度：

*  乐观的话，先不管风险，干了再说，有问题回来找补（对应于 CAS 操作）
 *  悲观的话，先考虑风险，万无一失，再进行数据处理（对应于互斥同步）

因此乐观锁回滚重试，悲观锁阻塞事务。JDK 6 之后的 synchronized 关键字就是先乐观，乐观不起来了再悲观。

## synchronized 原理 ##

学习 synchronized 关键字需要对 JVM 中对象的内存布局（尤其是对象头部分）有所了解。对象头的内容，在此不多赘述。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
对象存储在 JVM 堆里，鉴于内存寸土寸金，需要尽可能地缩减对象头的大小，因此对象头有五种状态，在不同的状态下存储不同的信息。上图的前四种与 synchronized 关键字有关，分别在`【没有锁】、【偏向锁】、【轻量级锁】和【重量级锁】`状态下，存储不同的信息。换个角度理解，这意味着 synchronized 也有四种场景。

synchronized 关键字的原理（改进之后），就像是开车挂挡，起步一档，速度上来之后挂二档，最后一脚油门上了三挡。

*  如果只有一个线程在使用资源，那么挂一档：偏向锁
 *  如果有少数几个线程在使用资源，那么挂二档：轻量级锁
 *  如果有好几个线程在使用资源，那么挂三挡：重量级锁

这三种档位是针对于 JDK 6 之后的 synchronized，在这之前起步直接三挡。

对应于这三个档位（外加上空挡）一共有四种状态，这四种状态的标志位如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁</th> 
   <th>偏向模式(1 bit)</th> 
   <th>锁标志位(2 bit)</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>无锁</td> 
   <td>0</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>偏向锁</td> 
   <td>1</td> 
   <td>01</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>轻量级锁</td> 
   <td>（没有该字段）</td> 
   <td>00</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>重量级锁</td> 
   <td>（没有该字段）</td> 
   <td>10</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 几种状态锁 ##

### 偏向锁 ###

对于上锁的对象，有一个资源争抢的升级过程。最开始的情况，是只有一条线程在使用资源，这时并不存在竞争的情况。如果不存在竞争，上锁是没有必要的，或者说上重量级的锁是没有必要的，毕竟没其他线程抢资源。

偏向锁的偏向，是“偏心”的“偏”、“偏袒”的“偏”，其含义是偏向线程，偏向于第一个获取到它的线程。如果之后一直没有其他线程出现，则持有偏向锁的线程永远不需要进行同步。如果出现了新的线程，偏向锁立即终止。

因此，如果只有一条线程使用资源，则使用偏向锁。如果出现了第二条线程，不论这两条线程是否存在竞争，锁都会膨胀，偏向锁即刻作废。（还是有一些例外的示，如果前一条线程死亡了，新的线程来申请资源，还是能继续使用偏向锁的）在这种意义上，偏向锁是不需要解锁的，因为它从始至终只会有一个锁的主人，出现了第二个主人时，它就作废了，没有解锁是偏向锁相比于轻量级锁、重量级锁的一个区别。

偏向锁的具体实现，实际上还是比较繁琐的。总体上讲，是把偏向线程的线程ID记录在对象头中，之后再此使用前比对线程ID，如果就是当前线程则无需同步，如果不是当前线程那么偏向锁立即停止使用。

细致地讲，偏向锁的上锁过程如下（自行对照上面对象头示意图）：

#### 确保可以上偏向锁 ####

首先对象应处于未上锁状态（锁标志位是 01），且对象应为可偏向（偏向标志位是 1），因此对象头的标记部分应为 101 结尾。由于无锁和偏向锁的锁标志位是相同的（都是 01），因此另用 1 bit 来表示对象是否可偏向。JDK 6 下的 HotSpot 虚拟机默认开启偏向锁，可以手动设置参数关闭。

参照上图，对象头在无锁的状态下会保存对象的哈希码（hashcode），实际上这并不一定，如果对象没有计算过哈希码（例如调用 `Object :: hashCode()` 会计算哈希码），那么哈希码将不会保存在对象头中。但一旦计算过哈希码，对象头中就会储存哈希码，这个对象就再也不会进入偏向锁状态了，如需上锁，它只会一步到位膨胀成重量级锁。

（附上 64 位 JVM 的对象头标记字段，在无锁和偏向锁状态下的内容：）
    |------------------------------------------------------------------------------|----------------|
    | unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |     Normal     |（无锁）
    |------------------------------------------------------------------------------|----------------|
    | thread:54 |       epoch:2        | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |     Biased     |（偏向锁）
    |------------------------------------------------------------------------------|----------------|

#### 通过 CAS 尝试上偏向锁 ####

在确保对象进入偏向模式的前提下，JVM 将会使用 CAS 操作把获取到这个锁的线程的ID记录在对象的标记字段中（图中的对象头标记字段，在偏向模式下的偏向 ID 部分，32 位虚拟机占 23 bit，64 位虚拟机占 54 bit）。如果 CAS 记录线程 ID 成功，那么认为偏向锁上锁成功，以后持有偏向锁的线程每次进入这个锁相关的同步块时，都不需要进行任何同步操作。如果 CAS 记录线程 ID 失败，那么偏向模式马上就宣告结束。

*  如果此时对象没有上锁，那么该对象将先撤销偏向（将偏向标志位设置为 0），再升级为轻量级锁（这一步的撤销偏向是有一定的性能损耗的）
 *  如果此时对象已经上了偏向锁，那么该对象将继续申请轻量级锁

(下图为《深度理解 Java 虚拟机》的配图，描述了偏向锁膨胀到轻量级锁的过程)  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

#### 对象头的标记字段中，还有一个字段：偏向时间戳（epoch） ####

这个字段的作用是统计重偏向次数。重偏向的概念是这样的，如果有一个类实例化 20 个对象出来，这 20 个对象先经历线程 1，再经历线程 2，上锁时需要发生 20 次的撤销偏向，再升级到轻量级锁的过程。偏向锁的撤销是比较昂贵的（原理暂不考究），如果这种现象多次出现，就意味着这个类不适合使用偏向锁。

对于这种场景 JVM 单独做了优化，类记录了一个 epoch 值，对象在创建时也将有一个 epoch 值（创建时与类的相同）。如果类对象发生了一次大规模的撤销偏向行为，类的 epoch 值将加 1（以后创建的对象也会采用新的 epoch 值），如果类的 epoch 值超过某个阈值，则证明该类不适合使用偏向锁，以后的对象也将不会再使用偏向锁，直接使用轻量级锁。

对象头中的 epoch 值是为了和类的 epoch 值对比用的，如果不一样，则将直接膨胀到轻量级锁。

### 轻量级锁 ###

当资源不再只被一条线程获取，出现了两个及以上的线程时，偏向锁立即作废，膨胀为轻量级锁。

轻量级锁存在的意义是，如果有多个线程获取资源，但是是交替获取的，并没有发生资源竞争的风险，那么加一个轻量级锁，保证其中一条线程在运行时另一条线程不会并行操作即可。因此轻量级锁的目的，是为了消除数据在无竞争情况下的同步原语，提高程序的运行性能。

（附上 64 位 JVM 的对象头标记字段，在偏向锁和轻量级锁状态下的内容：）
    |---------------------------------------------------------------------|--------------------|
    | thread:54 |   epoch:2   | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |       Biased       |（偏向锁）
    |---------------------------------------------------------------------|--------------------|
    |                     ptr_to_lock_record                     | lock:2 | Lightweight Locked |（轻量级锁）
    |---------------------------------------------------------------------|--------------------|

无论是无锁还是偏向锁，这两种状态的锁标志位都是 01，都可以膨胀到轻量级锁，将锁标志位修改为 00。对于轻量级锁而言，上锁的对象，其对象头的标记字段只有两部分内容：分别是锁标志位（2 bit，值为 00），以及正在占有对象的线程ID。

无锁膨胀到轻量级锁的过程是这样的（偏向锁的话，要先撤销偏向到无锁状态，再进行膨胀）：

*  确保对象没有被锁定，锁标志为是 01。
 *  备份对象头的标记字段  
    将对象头的标记字段（Mark Word）拷贝到当前线程的栈帧中。也就是把那 8 字节包含着哈希码、分代年龄、偏向状态、锁标志位等信息的标记字段，存储在当前线程的 JVM 栈中。标记字段保存在线程栈帧的地址，叫做“锁记录”（Lock Record），换种表述方法，这块 Lock Record 用来存储对象目前的 Mark Word 的拷贝。
 *  CAS 更新对象头，上轻量级锁  
    虚拟机使用 CAS 操作尝试将对象头的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针（就是上一步中，线程栈帧备份对象头的地址），并将对象头的锁标记更新为轻量级锁（00）。  
    如果这步 CAS 操作能够成功，那么轻量级锁就上好了，如果没有成功，则证明在同一时间有多个线程在竞争资源，轻量级锁不再有效，锁进一步膨胀为重量级锁。

如果对象已经上了轻量级锁，当有线程再次申请资源时：

*  如果是同一个线程，则是一次锁重入。每次锁重入依旧会在线程栈帧中创建一个 Lock Record，只不过重入创建的 Lock Record 的值为 null，即它不再是对象头标记字段的备份。
 *  如果是另一个线程，说明存在多个线程竞争锁，锁膨胀为重量级锁。

轻量级锁有解锁的操作，当线程操作完对象资源后，需要将轻量级锁解除。解锁的方法，是将对象头的 Mark Word 和线程栈中的 Lock Record 通过 CAS 替换回来，如果 CAS 操作失败代表有其他线程在竞争资源，锁膨胀。

### 重量级锁 ###

当出现两个或更多的线程，在同一时间操作资源时，会发生线程竞争，此时锁膨胀为最强的重量级锁，采取互斥同步的方式，让同一时间只有一个线程操作资源，其他线程阻塞等待。

重量级锁通过一个 monitor 对象实现多线程竞争时的互斥同步，monitor（监视器）是并发设计中很重要的设计，在不同的语言中有不同的实现。monitor 作为监视器，监视的是资源，每一个类或者每一个对象只能有一个 monitor 对象，这个 monitor 由 JVM 创建，能够保证同一时间只会有一个线程使用资源，其他线程都乖乖阻塞。

在 JVM 中 monitor 是 ObjectMonitor 类的实例对象，该类源码由 C++ 编写，代码如下：

ObjectMonitor() { 
        _header       = NULL;
        _count        = 0; //monitor进入数
        _waiters      = 0,
        _recursions   = 0;  //线程的重入次数
        _object       = NULL;
        _owner        = NULL; //标识拥有该monitor的线程
        _WaitSet      = NULL; //等待线程组成的双向循环链表，_WaitSet是第一个节点
        _WaitSetLock  = 0 ;
        _Responsible  = NULL ;
        _succ         = NULL ;
        _cxq          = NULL ; //多线程竞争锁进入时的单项链表
        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 ;
    }

通过这个类实例化的 monitor 对象，一对一地监控着每一个需要互斥同步的类或对象，由 \_owner 属性记录并发竞争成功的线程，执行完后换下一个线程，实现重量级锁。如果有其他线程尝试获取 monitor，会由于线程重入次数不为 0 而被迫阻塞。

synchronized 是以代码块的形式使用的，例如：

public void func() { 
        synchronized (this) { 
            // ...
        }
    }

JVM 将 Java 代码解释成 CPU 原语时，解析 synchronized 关键字，会分别将代码块的开始和结束，解释成 monitorenter 和 monitorexit，这两个原语非常形象，就是进入 monitor 和离开 monitor。通过这两个 CPU 原语，JVM 使每个线程都要去 monitor 处报到，等待重新调度。

## synchronized 使用 ##

synchronized 关键字有四种使用表现，分别是同步对象、类、方法、静态方法，而同步方法和静态方法，实际上还是在同步对象和类，因此从原理上 synchronized 关键字同步的是对象或类。

### 同步一个对象 ###

对任意一个对象加 synchronized，代码块当中的代码都会同步。

Object object = new Object();
    synchronized (object) { 
        // ...
    }

例如下列代码：实现一个 Runnable 接口，按顺序打印 1-10

// r1不同步
    Runnable r1 = () -> { 
        for (int i = 1; i <= 10; i++) { 
            System.out.print(i);
        }
    };
    
    // r2同步
    Runnable r2 = () -> { 
        synchronized (object) { 
            for (int i = 1; i <= 10; i++) { 
                System.out.print(i);
            }
        }
    };

此时在线程池中分别跑不同步的 r1 和同步的 r2，每次线程池中跑两个线程

ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    
    executorService.execute(r1);
    executorService.execute(r1);
    // 打印结果：1 1 2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3 4 5 6 7 8 9 10 
    
    executorService.execute(r2);
    executorService.execute(r2);
    // 打印结果：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

一种非常常见的同步对象的方式，是在类方法中同步 this，即表示同步当前对象。

synchronized (this) { 
        // ...
    }

### 同步一个类 ###

当 synchronized 同步一个类时，使用该类的所有线程，无论是在操作哪一个对象，都将进行同步。

public void func() { 
        synchronized (SynchronizedExample.class) { 
            // ...
        }
    }

例如如下代码：自定义一个 MyClass 类，该类只有一个按顺序打印 1-10 的方法。生成两个该类的对象，并调用两个线程分别执行这两个类的打印数字方法。

// 创建一个包含打印数字方法的类
    class MyClass { 
        void testSync() { 
            for (int i = 1; i <= 10; i++) { 
                System.out.print(i);
            }
        }
    }
    
    // 创建两个类对象
    MyClass clazz1 = new MyClass();
    MyClass clazz2 = new MyClass();
    
    // 在线程池中执行打印数字的方法
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    executorService.execute(() -> clazz1.testSync());
    executorService.execute(() -> clazz2.testSync());
    
    // 打印结果：1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 7 8 9 10

如果对类方法进行 synchronized 同步，同步的内容是一个类（任意一个类都可以），则可实现线程间的同步。

void testSync() { 
        synchronized (Object.class) { 
            for (int i = 1; i <= 10; i++) { 
                System.out.print(i);
            }
        }
    }
    
    // （其他代码略）打印结果：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

### 同步一个方法 ###

public synchronized void func () { 
        // ...
    }

它作用于同一个对象。（这就是 HashTable 不如 ConcurrentHashMap 的地方，因为它在方法上同步，锁住了整个对象，太过笨重）

### 同步一个静态方法 ###

public synchronized static void fun() { 
        // ...
    }

它作用于整个类。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20230528/a7887840b3464bf588715dc273c5cff8.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0RCQ18xMjE_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20230528/94ac66ef17cb4ed3b7fac03fdcc185ab.png