Java 之并发编程 Synchronized 同步锁_java 同步锁

一个对象是否安全取决于它是否被多个线程访问(访问是访问对象的方式)。要使对象线程安全，name需要采用同步的机制来协同对对象可变状态的访问。(java这边采用synchronized，其他还有volatile类型的变量，显式锁以及原子变量)

一、Synchronized 概述

 1.1 锁的内存语义

synchronized的底层是使用操作系统的mutex lock实现的。

• 内存可见性：同步快的可见性是由“如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值”、“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store和write操作）”这两条规则获得的。
• 操作原子性：持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入

锁的内存语义：

• 当线程释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中
• 当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量

锁释放和锁获取的内存语义：

• 线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程A对共享变量所做修改的）消息。
• 线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在释放这个锁之前对共享变量所做修改的）消息。
• 线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息

     

1.2 synchronized锁

• 如果synchronized修饰的是实例方法，对应的锁则是对象实例
• 如果synchronized修饰的是静态方法，对应的锁则是当前类的Class实例
• 如果synchronized修饰的是代码块，对应的锁则是传入的synchronized对象实例

（1）synchronized 原理

synchronized的锁是存在Java对象头里的。

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步。

代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。

根据虚拟机规范的要求，在执行monitorenter指令时，首先要去尝试获取对象的锁，如果这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1；相应地，在执行monitorexit指令时会将锁计数器减1，当计数器被减到0时，锁就释放了。如果获取对象锁失败了，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另一个线程释放为止。

注意两点：

1. synchronized同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；
2. 同步块在已进入的线程执行完之前，会阻塞后面其他线程的进入。

1.3 Mutex Lock

监视器锁（Monitor）本质是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的。每个对象都对应于一个可称为" 互斥锁" 的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。

互斥锁：用于保护临界区，确保同一时间只有一个线程访问数据。对共享资源的访问，先对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。

mutex的工作方式：

   

1. 申请mutex
2. 如果成功，则持有该mutex
3. 如果失败，则进行spin自旋. spin的过程就是在线等待mutex, 不断发起mutex gets, 直到获得mutex或者达到spin_count限制为止
4. 依据工作模式的不同选择yiled还是sleep
5. 若达到sleep限制或者被主动唤醒或者完成yield, 则重复1)~4)步，直到获得为止

由于Java的线程是映射到操作系统的原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一条线程，都需要操作系统来帮忙完成，这就需要从用户态转换到核心态中，因此状态转换需要耗费很多的处理器时间。所以synchronized是Java语言中的一个重量级操作。在JDK1.6中，虚拟机进行了一些优化，譬如在通知操作系统阻塞线程之前加入一段自旋等待过程，避免频繁地切入到核心态中：

synchronized与java.util.concurrent包中的ReentrantLock相比，由于JDK1.6中加入了针对锁的优化措施（见后面），使得synchronized与ReentrantLock的性能基本持平。ReentrantLock只是提供了synchronized更丰富的功能，而不一定有更优的性能，所以在synchronized能实现需求的情况下，优先考虑使用synchronized来进行同步。

二、无锁 VS 偏向锁 VS 轻量级锁 VS 重量级锁

  这四种锁是指锁的状态，专门针对synchronized的。在介绍这四种锁状态之前还需要介绍一些额外的知识。

首先为什么Synchronized能实现线程同步？

在回答这个问题之前我们需要了解两个重要的概念：“Java对象头”、“Monitor”。

2.1 Java对象头

synchronized是悲观锁，在操作同步资源之前需要给同步资源先加锁，这把锁就是存在Java对象头里的，而Java对象头又是什么呢？

我们以Hotspot虚拟机为例，Hotspot的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。

• Mark Word：默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
• Klass Point：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

2.2 Monitor

Monitor可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描述为一个对象。每一个Java对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者Monitor锁。

Monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联，同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。

现在话题回到synchronized，synchronized通过Monitor来实现线程同步，Monitor是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁）来实现的线程同步。

如同我们在自旋锁中提到的“阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。如果同步代码块中的内容过于简单，状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长”。这种方式就是synchronized最初实现同步的方式，这就是JDK 6之前synchronized效率低的原因。这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为“重量级锁”，JDK 6中为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”。

所以目前锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。锁状态只能升级不能降级。

通过上面的介绍，我们对synchronized的加锁机制以及相关知识有了一个了解，那么下面我们给出四种锁状态对应的的Mark Word内容，然后再分别讲解四种锁状态的思路以及特点：

无锁：无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。

无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。

偏向锁

偏向锁是指JVM认为只有某个线程才会执行同步代码（没有竞争的环境）。

在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。

当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在Mark Word里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。

偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。

偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

是指当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。

在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。

拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。

如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。

如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。

若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数，或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。

重量级锁

升级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。

整体的锁状态升级流程如下：

综上，偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。

总结

• 只有一个线程进入临界区：偏向锁
• 多个线程交替进入临界区：轻量级锁
• 多线程同时进入临界区：重量级锁

升级过程

偏向锁指的是JVM认为只有某个线程才会执行同步代码（没有竞争环境），所以在Mark Word 会直接记录线程ID,只要线程进来执行代码了，会比对线程ID是否相等，相等则当前线程获取得到锁，执行同步代码。如果线程ID不相等，则用CAS尝试来修改当前线程ID,如果CAS修改成功，那还是能获取得到锁，执行同步代码。

如果CAS失败了，说明有竞争环境，此时会对偏向锁撤销，升级为轻量级锁，在轻量级锁的状态下，当前线程会在栈帧下创建Lock Record, Lock Record 会把Mark Word 的信息拷贝进去，且有Owner 指针指向加锁对象，线程执行同步代码时，则用CAS视图将Mark Word 指向到Lock Record，假设CAS修改成功，则获取得到轻量级锁。

假设CAS失败，则适应性自旋（重试），自旋一定次数后，还是CAS失败，则升级为重量级锁

三、常考题

（1）Synchronised和reentrantlock的区别

1. 原始构成：sync是JVM层面的，底层通过monitor监听monitorenter和monitorexit来实现的。Lock是JDK API层面的
2. 使用方法：sync不需要手动释放锁，而Lock需要手动释放。
3. 是否可中断：sync不可中断，除非抛出异常或者正常运行完成。Lock是可中断的，通过调用interrupt()方法。
4. 是否为公平锁：sync只能是非公平锁，而Lock既能是公平锁，又能是非公平锁。
5. 绑定多个条件：sync不能，只能随机唤醒。而Lock可以通过Condition来绑定多个条件，精确唤醒。
6. synchronized 关键字结合 wait() 和 notify()/notifyAll() 方法使用，可以实现等待/通知机制，ReentrantLock 类则需要借助于 Condition 接口与 newCondition() 方法。Condition 是 JDK1.5 之后才有的，它具有很好的灵活性，比如可以实现多路通知功能，也就是在一个 Lock 对象中可以创建多个 Condition 实例（即对象监视器），线程对象可以注册在指定的 Condition 中，从而可以有选择性的进行线程通知，在调度线程上更加灵活。 在使用 notify()/notifyAll() 方法进行通知时，被通知的线程是由 JVM 选择的。而 synchronized 关键字就相当于整个 Lock 对象中只有一个 Condition 实例，所有的线程都注册在它一个身上。如果执行 notifyAll() 方法的话，就会通知所有处于等待状态的线程，这样会造成很大的效率问题，而 Condition 实例的 signalAll() 方法只会唤醒注册在该 Condition 实例中的所有等待线程。增加的新特点： ① 等待可中断；② 可实现公平锁；③ 可实现选择性通知（锁可以绑定多个条件）：

相关文章：

1. Java 中的偏向锁、轻量级锁、重量级锁

2. Java synchronized原理总结