Synchronized学习记录（超详解）

分手后的思念是犯贱 2023-10-02 11:56 6阅读 0赞

**目录**

1. 定义及作用

2. 使用方式

2.1 常见的三种使用方式如下：

2.2 锁的使用规则

2.3 锁的类型

3. 特点

4.缺点及使用synchronized的注意事项

4.1 缺陷

4.2 注意事项

5. synchronized 优化（偏向锁、轻量级锁及重量级锁）

5.1 自旋锁

5.2 偏向锁

5.3 轻量级锁

5.4 锁分配和膨胀过程

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## 1. 定义及作用 ##

定义：synchronized是Java中的一个关键字

作用：synchronized关键字能解决多个线程访问共享资源的同步性问题，能保证被他修饰的方法或代码块在任一时刻只有一个线程执行。

## 2. 使用方式 ##

synchronized 用于修饰代码块，类的实例方法和静态方法

#### 2.1 常见的三种使用方式如下： ####

*  修饰代码块，即同步语句块，其作用的范围是大括号\{\}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象。
 *  修饰普通方法，即同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象。
 *  修饰静态方法，其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象

#### 2.2 锁的使用规则 ####

1.锁对象的设置：

a. 修饰代码块时，需要一个 reference 对象 作为锁的对象

b. 修饰实例方法时，默认锁的对象是=当前对象

c. 修饰类方法（静态方法) 时，默认的锁对象是当前类的class对象

2. 根据锁对象的不同，一把锁同时最多只能被一个线程持有

a. 若当前线程持有目标锁，其他线程仍然可以调用目标类种没有被synchronized修饰的方法

3. 当对象获取多个锁时，必须以相反顺序释放

#### 2.3 锁的类型 ####

由于synchronized会修饰代码块，类的实例方法和静态方法，所以有不同锁的类型

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## 3. 特点 ##

**保证原子性、可见性和有序性**

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1.  可重入性：对同一线程获得锁后，在调用其他需要同样锁的代码时可直接调用
2.  不可中断性：通俗解释：一旦这个锁被别人获得了，如果我想获得，只能等待或者阻塞，直到别的线程释放这个锁，如果别人永远不释放锁，我只能永远等下去；很执着。
3.  重量级：底层时通过监视器对象（monitor)完成的，监视器锁本质是依赖于底层操作系统的互斥锁（Mutex Lock)实现，而操作系统实现线程需要从用户态转换为内核态。因此synchronized效率低，是重量级锁

## 4.缺点及使用synchronized的注意事项 ##

### 4.1 缺陷 ###

效率低：锁的释放情况少，试图获的锁时不能设定超时、不能中断一个正在试图获得锁的线程

不够灵活：加锁和释放的时机单一，每个锁仅有单一的条件（某个对象）

无法知道是否成功获取到锁

### 4.2 注意事项 ###

a .锁的对象不能为空

b. 作用域不宜过大

c. 避免**死锁**（**一组相互竞争资源的线程因为互相等待，导致“永久”阻塞的现象**）

> 死锁发生的条件：
> 
>  *  互斥：共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用；
>  *  占有且等待：线程 T1 已经取得共享资源 X，在等待共享资源 Y 的时候，不释放共享资源 X；
>  *  不可抢占：其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源；
>  *  循环等待：线程 T1 等待线程 T2 占有的资源，线程 T2 等待线程 T1 占有的资源，就是循环等待

> 破坏死锁发生的条件：
> 
>  *  占用且等待：一次性申请所有的资源，这样就不存在等待了。
>  *  不可抢占，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源。（java.util.concurrent提供了`Lock`解决这个问题）
>  *  循环等待，靠按序申请资源来预防。所谓按序申请，是指资源是有线性顺序的，申请的时候可以先申请资源序号小的，再申请资源序号大的，这样线性化申请后就不存在循环了。

## 5. synchronized 优化（偏向锁、轻量级锁及重量级锁） ##

为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，在JDK 1.6里引入了4种锁的状态：**无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁**，它会随着多线程的竞争情况逐渐升级，但不能降级。

> 这三种锁中偏向锁和轻量级锁是乐观锁，重量级锁是针对synchronized的，都是指锁的状态。JDK1.6通过引入锁升级(偏向锁->轻量级锁->重量级锁)机制来高效实现synchronized。

> **乐观锁与悲观锁**
> 
> 独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。而另一个更加有效的锁就是乐观锁。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。

#### 5.1 自旋锁 ####

首先，内核态与用户态的切换上不容易优化。但**通过自旋锁，可以减少线程阻塞造成的线程切换**（包括挂起线程和恢复线程）。

如果锁的粒度小，那么**锁的持有时间比较短**（尽管具体的持有时间无法得知，但可以认为，通常有一部分锁能满足上述性质）。那么，对于竞争这些锁的而言，因为锁阻塞造成线程切换的时间与锁持有的时间相当，减少线程阻塞造成的线程切换，能得到较大的性能提升。具体如下：

*  当前线程竞争锁失败时，打算阻塞自己
 *  不直接阻塞自己，而是自旋（空等待，比如一个空的有限for循环）一会
 *  在自旋的同时重新竞争锁
 *  如果自旋结束前获得了锁，那么锁获取成功；否则，自旋结束后阻塞自己

#### 5.2 偏向锁 ####

在没有实际竞争的情况下，还能够针对部分场景继续优化。如果不仅仅没有实际竞争，自始至终，使用锁的线程都只有一个，那么，维护轻量级锁都是浪费的。**偏向锁的目标是，减少无竞争且只有一个线程使用锁的情况下，使用轻量级锁产生的性能消耗**。轻量级锁每次申请、释放锁都至少需要一次CAS，但偏向锁只有初始化时需要一次CAS。

“偏向”的意思是，*偏向锁假定将来只有第一个申请锁的线程会使用锁*（不会有任何线程再来申请锁），因此，*只需要在Mark Word中CAS记录owner（本质上也是更新，但初始值为空），如果记录成功，则偏向锁获取成功*，记录锁状态为偏向锁，*以后当前线程等于owner就可以零成本的直接获得锁；否则，说明有其他线程竞争，膨胀为轻量级锁*。

偏向锁无法使用自旋锁优化，因为一旦有其他线程申请锁，就破坏了偏向锁的假定。

#### 5.3 轻量级锁 ####

自旋锁的目标是降低线程切换的成本。如果锁竞争激烈，我们不得不依赖于重量级锁，让竞争失败的线程阻塞；如果完全没有实际的锁竞争，那么申请重量级锁都是浪费的。**轻量级锁的目标是，减少无实际竞争情况下，使用重量级锁产生的性能消耗**，包括系统调用引起的内核态与用户态切换、线程阻塞造成的线程切换等。

顾名思义，轻量级锁是相对于重量级锁而言的。使用轻量级锁时，不需要申请互斥量，仅仅*将Mark Word中的部分字节CAS更新指向线程栈中的Lock Record，如果更新成功，则轻量级锁获取成功*，记录锁状态为轻量级锁；*否则，说明已经有线程获得了轻量级锁，目前发生了锁竞争（不适合继续使用轻量级锁），接下来膨胀为重量级锁*。

> Mark Word是对象头的一部分；每个线程都拥有自己的线程栈（虚拟机栈），记录线程和函数调用的基本信息。二者属于JVM的基础内容，此处不做介绍。

当然，由于轻量级锁天然瞄准不存在锁竞争的场景，如果存在锁竞争但不激烈，仍然可以用自旋锁优化，*自旋失败后再膨胀为重量级锁*。

#### 5.4 锁分配和膨胀过程 ####

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