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dunwu
2020-12-25
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Synchronized

# Synchronized

# synchronized 的简介

synchronized 是 Java 中的关键字，是 利用锁的机制来实现互斥同步的。

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。

如果不需要 Lock 、ReadWriteLock 所提供的高级同步特性，应该优先考虑使用 synchronized ，理由如下：

  • Java 1.6 以后，synchronized 做了大量的优化，其性能已经与 Lock 、ReadWriteLock 基本上持平。从趋势来看，Java 未来仍将继续优化 synchronized ，而不是 ReentrantLock 。
  • ReentrantLock 是 Oracle JDK 的 API，在其他版本的 JDK 中不一定支持；而 synchronized 是 JVM 的内置特性，所有 JDK 版本都提供支持。

# synchronized 的应用

synchronized 有 3 种应用方式：

  • 同步实例方法 - 对于普通同步方法，锁是当前实例对象
  • 同步静态方法 - 对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象
  • 同步代码块 - 对于同步方法块，锁是 synchonized 括号里配置的对象

说明：

类似 Vector、Hashtable 这类同步类，就是使用 synchonized 修饰其重要方法，来保证其线程安全。

事实上，这类同步容器也非绝对的线程安全，当执行迭代器遍历，根据条件删除元素这种场景下，就可能出现线程不安全的情况。此外，Java 1.6 针对 synchonized 进行优化前，由于阻塞，其性能不高。

综上，这类同步容器，在现代 Java 程序中，已经渐渐不用了。

# 同步实例方法

❌ 错误示例 - 未同步的示例

public class NoSynchronizedDemo implements Runnable {

    public static final int MAX = 100000;

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        NoSynchronizedDemo instance = new NoSynchronizedDemo();
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
            increase();
        }
    }

    public void increase() {
        count++;
    }

}
// 输出结果: 小于 200000 的随机数字

Java 实例方法同步是同步在拥有该方法的对象上。这样，每个实例其方法同步都同步在不同的对象上，即该方法所属的实例。只有一个线程能够在实例方法同步块中运行。如果有多个实例存在，那么一个线程一次可以在一个实例同步块中执行操作。一个实例一个线程。

public class SynchronizedDemo implements Runnable {

    private static final int MAX = 100000;

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo instance = new SynchronizedDemo();
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
            increase();
        }
    }

    /**
     * synchronized 修饰普通方法
     */
    public synchronized void increase() {
        count++;
    }

}

【示例】错误示例

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  synchronized void transfer(
      Account target, int amt){
    if (this.balance > amt) {
      this.balance -= amt;
      target.balance += amt;
    }
  }
}

在这段代码中，临界区内有两个资源，分别是转出账户的余额 this.balance 和转入账户的余额 target.balance，并且用的是一把锁 this，符合我们前面提到的，多个资源可以用一把锁来保护，这看上去完全正确呀。真的是这样吗？可惜，这个方案仅仅是看似正确，为什么呢？

问题就出在 this 这把锁上，this 这把锁可以保护自己的余额 this.balance，却保护不了别人的余额 target.balance，就像你不能用自家的锁来保护别人家的资产，也不能用自己的票来保护别人的座位一样。

img

应该保证使用的锁能覆盖所有受保护资源。

【示例】正确姿势

class Account {
  private Object lock；
  private int balance;
  private Account();
  // 创建 Account 时传入同一个 lock 对象
  public Account(Object lock) {
    this.lock = lock;
  }
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 此处检查所有对象共享的锁
    synchronized(lock) {
      if (this.balance > amt) {
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      }
    }
  }
}

这个办法确实能解决问题，但是有点小瑕疵，它要求在创建 Account 对象的时候必须传入同一个对象，如果创建 Account 对象时，传入的 lock 不是同一个对象，那可就惨了，会出现锁自家门来保护他家资产的荒唐事。在真实的项目场景中，创建 Account 对象的代码很可能分散在多个工程中，传入共享的 lock 真的很难。

上面的方案缺乏实践的可行性，我们需要更好的方案。还真有，就是用 Account.class 作为共享的锁。Account.class 是所有 Account 对象共享的，而且这个对象是 Java 虚拟机在加载 Account 类的时候创建的，所以我们不用担心它的唯一性。使用 Account.class 作为共享的锁，我们就无需在创建 Account 对象时传入了，代码更简单。

【示例】正确姿势

class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    synchronized(Account.class) {
      if (this.balance > amt) {
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      }
    }
  }
}

# 同步静态方法

静态方法的同步是指同步在该方法所在的类对象上。因为在 JVM 中一个类只能对应一个类对象，所以同时只允许一个线程执行同一个类中的静态同步方法。

对于不同类中的静态同步方法，一个线程可以执行每个类中的静态同步方法而无需等待。不管类中的那个静态同步方法被调用，一个类只能由一个线程同时执行。

public class SynchronizedDemo2 implements Runnable {

    private static final int MAX = 100000;

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo2 instance = new SynchronizedDemo2();
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
            increase();
        }
    }

    /**
     * synchronized 修饰静态方法
     */
    public synchronized static void increase() {
        count++;
    }

}

# 同步代码块

有时你不需要同步整个方法，而是同步方法中的一部分。Java 可以对方法的一部分进行同步。

注意 Java 同步块构造器用括号将对象括起来。在上例中，使用了 this，即为调用 add 方法的实例本身。在同步构造器中用括号括起来的对象叫做监视器对象。上述代码使用监视器对象同步，同步实例方法使用调用方法本身的实例作为监视器对象。

一次只有一个线程能够在同步于同一个监视器对象的 Java 方法内执行。

public class SynchronizedDemo3 implements Runnable {

    private static final int MAX = 100000;

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo3 instance = new SynchronizedDemo3();
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
            increase();
        }
    }

    /**
     * synchronized 修饰代码块
     */
    public static void increase() {
        synchronized (SynchronizedDemo3.class) {
            count++;
        }
    }

}

# synchronized 的原理

synchronized 代码块是由一对 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现单元。在 Java 6 之前，Monitor 的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。

如果 synchronized 明确制定了对象参数，那就是这个对象的引用；如果没有明确指定，那就根据 synchronized 修饰的是实例方法还是静态方法，去对对应的对象实例或 Class 对象来作为锁对象。

synchronized 同步块对同一线程来说是可重入的，不会出现锁死问题。

synchronized 同步块是互斥的，即已进入的线程执行完成前，会阻塞其他试图进入的线程。

【示例】

public void foo(Object lock) {
    synchronized (lock) {
      lock.hashCode();
    }
  }
  // 上面的 Java 代码将编译为下面的字节码
  public void foo(java.lang.Object);
    Code:
       0: aload_1
       1: dup
       2: astore_2
       3: monitorenter
       4: aload_1
       5: invokevirtual java/lang/Object.hashCode:()I
       8: pop
       9: aload_2
      10: monitorexit
      11: goto          19
      14: astore_3
      15: aload_2
      16: monitorexit
      17: aload_3
      18: athrow
      19: return
    Exception table:
       from    to  target type
           4    11    14   any
          14    17    14   any

# 同步代码块

synchronized 在修饰同步代码块时，是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的。进入 monitorenter 指令后，线程将持有 Monitor 对象，退出 monitorenter 指令后，线程将释放该 Monitor 对象。

# 同步方法

synchronized 修饰同步方法时，会设置一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志。当方法调用时，调用指令将会检查该方法是否被设置 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志。如果设置了该标志，执行线程将先持有 Monitor 对象，然后再执行方法。在该方法运行期间，其它线程将无法获取到该 Mointor 对象，当方法执行完成后，再释放该 Monitor 对象。

# Monitor

每个对象实例都会有一个 Monitor，Monitor 可以和对象一起创建、销毁。Monitor 是由 ObjectMonitor 实现，而 ObjectMonitor 是由 C++ 的 ObjectMonitor.hpp 文件实现。

当多个线程同时访问一段同步代码时，多个线程会先被存放在 EntryList 集合中，处于 block 状态的线程，都会被加入到该列表。接下来当线程获取到对象的 Monitor 时，Monitor 是依靠底层操作系统的 Mutex Lock 来实现互斥的，线程申请 Mutex 成功，则持有该 Mutex，其它线程将无法获取到该 Mutex。

如果线程调用 wait() 方法，就会释放当前持有的 Mutex，并且该线程会进入 WaitSet 集合中，等待下一次被唤醒。如果当前线程顺利执行完方法，也将释放 Mutex。

# synchronized 的优化

Java 1.6 以后，synchronized 做了大量的优化，其性能已经与 Lock 、ReadWriteLock 基本上持平。

# Java 对象头

在 JDK1.6 JVM 中，对象实例在堆内存中被分为了三个部分：对象头、实例数据和对齐填充。其中 Java 对象头由 Mark Word、指向类的指针以及数组长度三部分组成。

Mark Word 记录了对象和锁有关的信息。Mark Word 在 64 位 JVM 中的长度是 64bit，我们可以一起看下 64 位 JVM 的存储结构是怎么样的。如下图所示：

img

锁升级功能主要依赖于 Mark Word 中的锁标志位和释放偏向锁标志位，synchronized 同步锁就是从偏向锁开始的，随着竞争越来越激烈，偏向锁升级到轻量级锁，最终升级到重量级锁。

Java 1.6 引入了偏向锁和轻量级锁，从而让 synchronized 拥有了四个状态：

  • 无锁状态（unlocked）
  • 偏向锁状态（biasble）
  • 轻量级锁状态（lightweight locked）
  • 重量级锁状态（inflated）

当 JVM 检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现。

当没有竞争出现时，默认会使用偏向锁。JVM 会利用 CAS 操作（compare and swap），在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。

如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM 就需要撤销（revoke）偏向锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

# 偏向锁

偏向锁的思想是偏向于第一个获取锁对象的线程，这个线程在之后获取该锁就不再需要进行同步操作，甚至连 CAS 操作也不再需要。

img

# 轻量级锁

轻量级锁是相对于传统的重量级锁而言，它 使用 CAS 操作来避免重量级锁使用互斥量的开销。对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的，因此也就不需要都使用互斥量进行同步，可以先采用 CAS 操作进行同步，如果 CAS 失败了再改用互斥量进行同步。

当尝试获取一个锁对象时，如果锁对象标记为 0|01，说明锁对象的锁未锁定（unlocked）状态。此时虚拟机在当前线程的虚拟机栈中创建 Lock Record，然后使用 CAS 操作将对象的 Mark Word 更新为 Lock Record 指针。如果 CAS 操作成功了，那么线程就获取了该对象上的锁，并且对象的 Mark Word 的锁标记变为 00，表示该对象处于轻量级锁状态。

img

# 锁消除 / 锁粗化

除了锁升级优化，Java 还使用了编译器对锁进行优化。

# 锁消除

锁消除是指对于被检测出不可能存在竞争的共享数据的锁进行消除。

JIT 编译器在动态编译同步块的时候，借助了一种被称为逃逸分析的技术，来判断同步块使用的锁对象是否只能够被一个线程访问，而没有被发布到其它线程。

确认是的话，那么 JIT 编译器在编译这个同步块的时候不会生成 synchronized 所表示的锁的申请与释放的机器码，即消除了锁的使用。在 Java7 之后的版本就不需要手动配置了，该操作可以自动实现。

对于一些看起来没有加锁的代码，其实隐式的加了很多锁。例如下面的字符串拼接代码就隐式加了锁：

public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    return s1 + s2 + s3;
}

String 是一个不可变的类，编译器会对 String 的拼接自动优化。在 Java 1.5 之前，会转化为 StringBuffer 对象的连续 append() 操作：

public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    sb.append(s3);
    return sb.toString();
}

每个 append() 方法中都有一个同步块。虚拟机观察变量 sb，很快就会发现它的动态作用域被限制在 concatString() 方法内部。也就是说，sb 的所有引用永远不会逃逸到 concatString() 方法之外，其他线程无法访问到它，因此可以进行消除。

# 锁粗化

锁粗化同理，就是在 JIT 编译器动态编译时，如果发现几个相邻的同步块使用的是同一个锁实例，那么 JIT 编译器将会把这几个同步块合并为一个大的同步块，从而避免一个线程“反复申请、释放同一个锁“所带来的性能开销。

如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，频繁的加锁操作就会导致性能损耗。

上一节的示例代码中连续的 append() 方法就属于这类情况。如果虚拟机探测到由这样的一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。对于上一节的示例代码就是扩展到第一个 append() 操作之前直至最后一个 append() 操作之后，这样只需要加锁一次就可以了。

# 自旋锁

互斥同步进入阻塞状态的开销都很大，应该尽量避免。在许多应用中，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间。自旋锁的思想是让一个线程在请求一个共享数据的锁时执行忙循环（自旋）一段时间，如果在这段时间内能获得锁，就可以避免进入阻塞状态。

自旋锁虽然能避免进入阻塞状态从而减少开销，但是它需要进行忙循环操作占用 CPU 时间，它只适用于共享数据的锁定状态很短的场景。

在 Java 1.6 中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的次数不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋次数及锁的拥有者的状态来决定。

# synchronized 的误区

示例摘自：《Java 业务开发常见错误 100 例》 (opens new window)

# synchronized 使用范围不当导致的错误

public class Interesting {

    volatile int a = 1;
    volatile int b = 1;

    public static void main(String[] args) {
        Interesting interesting = new Interesting();
        new Thread(() -> interesting.add()).start();
        new Thread(() -> interesting.compare()).start();
    }

    public synchronized void add() {
        log.info("add start");
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            a++;
            b++;
        }
        log.info("add done");
    }

    public void compare() {
        log.info("compare start");
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            //a始终等于b吗？
            if (a < b) {
                log.info("a:{},b:{},{}", a, b, a > b);
                //最后的a>b应该始终是false吗？
            }
        }
        log.info("compare done");
    }

}

【输出】

16:05:25.541 [Thread-0] INFO io.github.dunwu.javacore.concurrent.sync.synchronized使用范围不当 - add start
16:05:25.544 [Thread-0] INFO io.github.dunwu.javacore.concurrent.sync.synchronized使用范围不当 - add done
16:05:25.544 [Thread-1] INFO io.github.dunwu.javacore.concurrent.sync.synchronized使用范围不当 - compare start
16:05:25.544 [Thread-1] INFO io.github.dunwu.javacore.concurrent.sync.synchronized使用范围不当 - compare done

之所以出现这种错乱，是因为两个线程是交错执行 add 和 compare 方法中的业务逻辑，而且这些业务逻辑不是原子性的：a++ 和 b++ 操作中可以穿插在 compare 方法的比较代码中；更需要注意的是，a<b 这种比较操作在字节码层面是加载 a、加载 b 和比较三步，代码虽然是一行但也不是原子性的。

所以，正确的做法应该是，为 add 和 compare 都加上方法锁，确保 add 方法执行时，compare 无法读取 a 和 b：

public synchronized void add()
public synchronized void compare()

所以，使用锁解决问题之前一定要理清楚，我们要保护的是什么逻辑，多线程执行的情况又是怎样的。

# synchronized 保护对象不对导致的错误

加锁前要清楚锁和被保护的对象是不是一个层面的。

静态字段属于类，类级别的锁才能保护；而非静态字段属于类实例，实例级别的锁就可以保护。

public class synchronized错误使用示例2 {

    public static void main(String[] args) {
        synchronized错误使用示例2 demo = new synchronized错误使用示例2();
        System.out.println(demo.wrong(1000000));
        System.out.println(demo.right(1000000));
    }

    public int wrong(int count) {
        Data.reset();
        IntStream.rangeClosed(1, count).parallel().forEach(i -> new Data().wrong());
        return Data.getCounter();
    }

    public int right(int count) {
        Data.reset();
        IntStream.rangeClosed(1, count).parallel().forEach(i -> new Data().right());
        return Data.getCounter();
    }

    private static class Data {

        @Getter
        private static int counter = 0;
        private static Object locker = new Object();

        public static int reset() {
            counter = 0;
            return counter;
        }

        public synchronized void wrong() {
            counter++;
        }

        public void right() {
            synchronized (locker) {
                counter++;
            }
        }

    }

}

wrong 方法中试图对一个静态对象加对象级别的 synchronized 锁，并不能保证线程安全。

# 锁粒度导致的问题

要尽可能的缩小加锁的范围，这可以提高并发吞吐。

如果精细化考虑了锁应用范围后，性能还无法满足需求的话，我们就要考虑另一个维度的粒度问题了，即：区分读写场景以及资源的访问冲突，考虑使用悲观方式的锁还是乐观方式的锁。

public class synchronized锁粒度不当 {

    public static void main(String[] args) {
        Demo demo = new Demo();
        demo.wrong();
        demo.right();
    }

    private static class Demo {

        private List<Integer> data = new ArrayList<>();

        private void slow() {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }

        public int wrong() {
            long begin = System.currentTimeMillis();
            IntStream.rangeClosed(1, 1000).parallel().forEach(i -> {
                synchronized (this) {
                    slow();
                    data.add(i);
                }
            });
            log.info("took:{}", System.currentTimeMillis() - begin);
            return data.size();
        }

        public int right() {
            long begin = System.currentTimeMillis();
            IntStream.rangeClosed(1, 1000).parallel().forEach(i -> {
                slow();
                synchronized (data) {
                    data.add(i);
                }
            });
            log.info("took:{}", System.currentTimeMillis() - begin);
            return data.size();
        }

    }

}

# 参考资料

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