【JavaEE】Java中复杂的Synchronized关键字

梦里梦外; 2024-03-27 13:53 70阅读 0赞

**目录**

一、synchronized的特性

（1）互斥

（2）刷新内存

（3）可重入

二、synchronized的使用

（1）修饰普通方法

（2）修饰静态方法

（3）修饰代码块

三、synchronized的锁机制

（1）基本特点

（2）加锁工作过程

1.偏向锁

2.轻量级锁

3.重量级锁

（3）优化操作

1.锁消除

2.锁粗化

四、synchronized和volatile的区别

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## 一、synchronized的特性 ##

### （1）互斥 ###

**synchronized 通过互斥达到原子性（线程安全的四大特性之一）**

**synchronized 会起到互斥效果，某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时，其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待。同一时间，只能一个线程拥有这把锁，去执行代码。  
1.进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于 加锁。  
2.退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于 解锁。**

> synchronized void increase（）\{//进入方法内部，相当于针对当前对象  
> count++;
> 
> \}//执行完毕相当于针对当前对象“解锁”

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。synchronized的底层是使用操作系统的mutex lock实现的。  
可以粗略理解成, 每个对象在内存中存储的时候, 都存有一块内存表示当前的 "锁定" 状态。如果当前是 "未锁定" 状态, 那么就可以使用, 使用时需要设为 "锁定" 状态。如果当前是 "锁定" 状态, 那么其他人无法使用, 只能排队等待。**一个线程先上了锁，其他线程只能等待这个线程释放。**

注意点：

针对每一把锁，操作系统内部都维护了一个等待队列。当这个锁被某个线程占有的时候， 其他线程尝试进行加锁，就加不上了， 就会**阻塞等待**， 一直等到之前的线程解锁之后，由操作系统唤醒一个新的线程，再来获取到这个锁。

上一个线程解锁之后， 下一个线程并不是立即就能获取到锁。而是要靠操作系统来 "**唤醒**"。 这也就是操作系统线程调度的一部分工作。  
假设有 A B C 三个线程，线程 A 先获取到锁，然后 B 尝试获取锁， 然后 C 再尝试获取锁，此时 B和 C 都在阻塞队列中排队等待。 但是当 A 释放锁之后, 虽然 B 比 C 先来的， 但是 B 不一定就能获取到锁， 而是和 C 重新竞争，并**不遵守先来后到的规则**。

### （2）刷新内存 ###

**synchronized 通过加锁减锁能保证内存可见性。**

synchronized 的工作过程:  
1. 获得互斥锁  
2. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作的内存  
3. 执行代码  
4. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存  
5. 释放互斥锁  
所以 synchronized 也能保证内存可见性。

### （3）可重入 ###

**synchronized 只能有一定约束，并不能完全禁止指令重排序。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。**

> // 第一次加锁, 加锁成功  
> lock();  
> // 第二次加锁, 锁已经被占用, 阻塞等待.  
> lock();

对于把自己锁死，就是一个线程没有释放锁，然后又尝试再次加锁。

按照之前对于锁的设定， 第二次加锁的时候会阻塞等待。直到第一次的锁被释放， 才能获取到第二个锁。释放第一个锁也是由该线程来完成， 结果这个线程已经阻塞等待了，也就无法进行解锁操作。这时候就会死锁。这样的锁称为不可重入锁。

Java中的**synchronized是可重入锁**，因此不会出现上述问题。可重入锁的内部，包含了 "**线程持有者**" 和 "**计数器**" 两个信息。如果某个线程进行加锁的时候， 发现锁已经被人占用， 占用者恰好是自己，那么仍然可以继续获取到锁， 并让**计数器**自增。解锁的时候就是当计数器递减为0的时候， 才真正释放锁，这时候锁才能被别的线程获取到。

## 二、synchronized的使用 ##

### （1）修饰普通方法 ###

锁的 SynchronizedDemo 对象

public class SynchronizedDemo {
        public synchronized void methond() {
        }
    }

### （2）修饰静态方法 ###

锁的 SynchronizedDemo 类的对象

public class SynchronizedDemo {
        public synchronized static void method() {
        }
    }

### （3）修饰代码块 ###

明确指定锁的对象

锁当前对象

public class SynchronizedDemo {
        public void method() {
        synchronized (this) {
            }
        }
    }

锁类对象

public class SynchronizedDemo {
        public void method() {
            synchronized (SynchronizedDemo.class) {
            }
        }
    }

**需要注意的是两个线程竞争同一把锁，才会产生阻塞等待。两个线程分别尝试获取两把不同的锁，不会产生竞争。**

## 三、synchronized的锁机制 ##

### （1）基本特点 ###

只考虑 JDK 1.8，加锁工作过程：JVM 将 synchronized 锁分为 无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁 状态。会根据情况，进行依次升级。  
**1. 开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁.  
2. 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁.  
3. 实现轻量级锁的时候大概率用到的自旋锁策略  
4. 是一种不公平锁  
5. 是一种可重入锁  
6. 不是读写锁**

### （2）加锁工作过程 ###

#### 1.偏向锁 ####

第一个尝试加锁的线程，优先进入偏向锁状态。  
偏向锁不是真的 "加锁"， 只是给对象头中做一个 "偏向锁的标记"，记录这个锁属于哪个线程。如果后续没有其他线程来竞争该锁，那么就不用进行其他同步操作了，避免了加锁解锁的开销。如果后续有其他线程来竞争该锁，因为刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了， 很容易识别当前申请锁的线程是不是之前记录的线程， 那就取消原来的偏向锁状态， 进入一般的轻量级锁状态。偏向锁本质上相当于 "**延迟加锁**"。**能不加锁就不加锁，尽量来避免不必要的加锁开销**。但是该做的标记还是得做的， 否则无法区分何时需要真正加锁。

面试中会经常问到什么是偏向锁。偏向锁不是真的加锁，而只是在锁的对象头中记录一个标记，记录该锁所属的线程。如果没有其他线程参与竞争锁，那么就不会真正执行加锁操作，从而降低程序开销。一旦真的涉及到其他的线程竞争，再取消偏向锁状态，进入轻量级锁状态。

#### 2.轻量级锁 ####

随着其他线程进入竞争，偏向锁状态被消除， 进入轻量级锁状态(自适应的自旋锁)。  
此处的轻量级锁就是通过 CAS 来实现。  
通过 CAS 检查并更新一块内存 (比如 null => 该线程引用)。如果更新成功，则认为加锁成功。如果更新失败， 则认为锁被占用, 继续自旋式的等待(并不放弃 CPU)。  
自旋操作是一直让 CPU 空转， 比较浪费 CPU 资源。因此此处的自旋不会一直持续进行， 而是达到一定的时间、重试次数, 就不再自旋了。也就是所谓的 "自适应"

#### 3.重量级锁 ####

如果竞争进一步激烈， 自旋不能快速获取到锁状态，就会膨胀为重量级锁。此处的重量级锁就是指用到内核提供的 mutex。  
执行加锁操作， 先进入内核态。在内核态判定当前锁是否已经被占用。如果该锁没有占用， 则加锁成功， 并切换回用户态。如果该锁被占用，则加锁失败。 此时线程进入锁的等待队列、挂起。 等待被操作系统唤醒。经历了一系列的操作， 这个锁被其他线程释放了， 操作系统也想起了这个挂起的线程，于是唤醒。这个线程， 尝试重新获取锁。

### （3）优化操作 ###

#### 1.锁消除 ####

编译器+JVM 判断锁是否可消除。 如果可以， 就直接消除。

> 锁消除：有些应用程序的代码中, 用到了 synchronized， 但其实没有在多线程环境下。 (例如StringBuffer)此时每个 append 的调用都会涉及加锁、解锁。但如果只是在单线程中执行这个代码， 那么这些加锁解锁操作是没有必要的,，白白浪费了一些资源开销。可以进行消除操作。  
> StringBuffer sb = new StringBuffer();  
> sb.append("a");  
> sb.append("b");  
> sb.append("c");  
> sb.append("d");

#### 2.锁粗化 ####

一段逻辑中如果出现多次加锁解锁，编译器 + JVM 会自动进行锁的粗化。

锁的粒度: 粗和细

实际开发过程中，使用细粒度锁，是期望释放锁的时候其他线程能使用锁。但是实际上可能并没有其他线程来抢占这个锁。这种情况 JVM 就会自动把锁粗化， 避免频繁申请释放锁。例如给下属交代工作任务：方式一：打电话，交代任务1, 挂电话。打电话，交代任务2，挂电话。打电话， 交代任务3， 挂电话。方式二：打电话，交代任务1，任务2，任务3，挂电话。显然，方式二是更高效的方案。这就是锁粗化的一个过程。

## 四、synchronized和volatile的区别 ##

synchronized和volatile都是Java关键字，并且都是解决线程安全的

的方式，所以在面试的时候经常会被放到一起问。

**两者其实并没有联系。**

**synchronized:**

**1.通过加锁、解锁的方式，把一堆代码绑在一起，来保证原子性。**

**2.通过加锁、解锁的方式， 来保证内存可见性。**

**3.对指令重排序有一定约束。**

**volatile：**

**1.不能保证原子性。**

**2.保证内存可见性。**

**3.禁止指令重排序。**

虽然synchronized在大多数情况下，都可以保证线程安全的。但是也不能在任何情况下都用synchronized的。synchronized是要付出一定代价的。synchronized是通过加锁、解锁的方式来保证的。所以，其他线程抢不到锁的时候，线程就会阻塞。线程就会放弃CPU，放弃之后，被重新调用的时间是不确定的。当使用synchronized就一定程度上放弃了高性能。使用volatile不会造成线程阻塞，但对性能也有一定影响，不过没有synchronized影响大。

使用多线程是为了提高效率。使用synchronized，就代表放弃了一定效率。这两者需要平衡。

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