1. synchronized簡介
在學(xué)習(xí)知識前，我們先來看一個(gè)現(xiàn)象：
public class SynchronizedDemo implements Runnable {
private static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new Thread(new SynchronizedDemo());
thread.start();
}
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("result: " + count);
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000000; I++)
count++;
}
}
開啟了10個(gè)線程，每個(gè)線程都累加了1000000次，如果結(jié)果正確的話自然而然總數(shù)就應(yīng)該是10 * 1000000 = 10000000。可就運(yùn)行多次結(jié)果都不是這個(gè)數(shù)，而且每次運(yùn)行結(jié)果都不一樣。這是為什么了？有什么解決方案了？這就是我們今天要聊的事情。
在上一篇博文中我們已經(jīng)了解了java內(nèi)存模型的一些知識，并且已經(jīng)知道出現(xiàn)線程安全的主要來源于JMM的設(shè)計(jì)，主要集中在主內(nèi)存和線程的工作內(nèi)存而導(dǎo)致的內(nèi)存可見性問題，以及重排序?qū)е碌膯栴}，進(jìn)一步知道了happens-before規(guī)則。線程運(yùn)行時(shí)擁有自己的棧空間，會在自己的棧空間運(yùn)行，如果多線程間沒有共享的數(shù)據(jù)也就是說多線程間并沒有協(xié)作完成一件事情，那么，多線程就不能發(fā)揮優(yōu)勢，不能帶來巨大的價(jià)值。那么共享數(shù)據(jù)的線程安全問題怎樣處理？很自然而然的想法就是每一個(gè)線程依次去讀寫這個(gè)共享變量，這樣就不會有任何數(shù)據(jù)安全的問題，因?yàn)槊總€(gè)線程所操作的都是當(dāng)前最新的版本數(shù)據(jù)。那么，在java關(guān)鍵字synchronized就具有使每個(gè)線程依次排隊(duì)操作共享變量的功能。很顯然，這種同步機(jī)制效率很低，但synchronized是其他并發(fā)容器實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，對它的理解也會大大提升對并發(fā)編程的感覺，從功利的角度來說，這也是面試高頻的考點(diǎn)。好了，下面，就來具體說說這個(gè)關(guān)鍵字。
2. synchronized實(shí)現(xiàn)原理
在java代碼中使用synchronized可是使用在代碼塊和方法中，根據(jù)Synchronized用的位置可以有這些使用場景：
如圖，synchronized可以用在方法上也可以使用在代碼塊中，其中方法是實(shí)例方法和靜態(tài)方法分別鎖的是該類的實(shí)例對象和該類的對象。而使用在代碼塊中也可以分為三種，具體的可以看上面的表格。這里的需要注意的是：如果鎖的是類對象的話，盡管new多個(gè)實(shí)例對象，但他們?nèi)匀皇菍儆谕粋€(gè)類依然會被鎖住，即線程之間保證同步關(guān)系。
現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了怎樣synchronized了，看起來很簡單，擁有了這個(gè)關(guān)鍵字就真的可以在并發(fā)編程中得心應(yīng)手了嗎？愛學(xué)的你，就真的不想知道synchronized底層是怎樣實(shí)現(xiàn)了嗎？
2.1 對象鎖（monitor）機(jī)制
現(xiàn)在我們來看看synchronized的具體底層實(shí)現(xiàn)。先寫一個(gè)簡單的demo:
public class SynchronizedDemo {
public static void main(String[] args) {
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
}
method();
}
private static void method() {
}
}
上面的代碼中有一個(gè)同步代碼塊，鎖住的是類對象，并且還有一個(gè)同步靜態(tài)方法，鎖住的依然是該類的類對象。編譯之后，切換到SynchronizedDemo.class的同級目錄之后，然后用javap -v SynchronizedDemo.class查看字節(jié)碼文件：
如圖，上面用黃色高亮的部分就是需要注意的部分了，這也是添Synchronized關(guān)鍵字之后獨(dú)有的。執(zhí)行同步代碼塊后首先要先執(zhí)行monitorenter指令，退出的時(shí)候monitorexit指令。通過分析之后可以看出，使用Synchronized進(jìn)行同步，其關(guān)鍵就是必須要對對象的監(jiān)視器monitor進(jìn)行獲取，當(dāng)線程獲取monitor后才能繼續(xù)往下執(zhí)行，否則就只能等待。而這個(gè)獲取的過程是互斥的，即同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠獲取到monitor。上面的demo中在執(zhí)行完同步代碼塊之后緊接著再會去執(zhí)行一個(gè)靜態(tài)同步方法，而這個(gè)方法鎖的對象依然就這個(gè)類對象，那么這個(gè)正在執(zhí)行的線程還需要獲取該鎖嗎？答案是不必的，從上圖中就可以看出來，執(zhí)行靜態(tài)同步方法的時(shí)候就只有一條monitorexit指令，并沒有monitorenter獲取鎖的指令。這就是鎖的重入性，即在同一鎖程中，線程不需要再次獲取同一把鎖。Synchronized先天具有重入性。每個(gè)對象擁有一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)線程獲取該對象鎖后，計(jì)數(shù)器就會加一，釋放鎖后就會將計(jì)數(shù)器減一。
任意一個(gè)對象都擁有自己的監(jiān)視器，當(dāng)這個(gè)對象由同步塊或者這個(gè)對象的同步方法調(diào)用時(shí)，執(zhí)行方法的線程必須先獲取該對象的監(jiān)視器才能進(jìn)入同步塊和同步方法，如果沒有獲取到監(jiān)視器的線程將會被阻塞在同步塊和同步方法的入口處，進(jìn)入到BLOCKED狀態(tài)（關(guān)于線程的狀態(tài)可以看這篇文章）
下圖表現(xiàn)了對象，對象監(jiān)視器，同步隊(duì)列以及執(zhí)行線程狀態(tài)之間的關(guān)系：
該圖可以看出，任意線程對Object的訪問，首先要獲得Object的監(jiān)視器，如果獲取失敗，該線程就進(jìn)入同步狀態(tài)，線程狀態(tài)變?yōu)锽LOCKED，當(dāng)Object的監(jiān)視器占有者釋放后，在同步隊(duì)列中得線程就會有機(jī)會重新獲取該監(jiān)視器。
2.2 synchronized的happens-before關(guān)系
在上一篇文章中討論過happens-before規(guī)則，抱著學(xué)以致用的原則我們現(xiàn)在來看一看Synchronized的happens-before規(guī)則，即監(jiān)視器鎖規(guī)則：對同一個(gè)監(jiān)視器的解鎖，happens-before于對該監(jiān)視器的加鎖。繼續(xù)來看代碼：
public class MonitorDemo {
private int a = 0;
public synchronized void writer() { // 1
a++; // 2
} // 3
public synchronized void reader() { // 4
int i = a; // 5
} // 6
}
該代碼的happens-before關(guān)系如圖所示：
在圖中每一個(gè)箭頭連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)就代表之間的happens-before關(guān)系，黑色的是通過程序順序規(guī)則推導(dǎo)出來，紅色的為監(jiān)視器鎖規(guī)則推導(dǎo)而出：線程A釋放鎖happens-before線程B加鎖，藍(lán)色的則是通過程序順序規(guī)則和監(jiān)視器鎖規(guī)則推測出來happens-befor關(guān)系，通過傳遞性規(guī)則進(jìn)一步推導(dǎo)的happens-before關(guān)系。現(xiàn)在我們來重點(diǎn)關(guān)注2 happens-before 5，通過這個(gè)關(guān)系我們可以得出什么？
根據(jù)happens-before的定義中的一條:如果A happens-before B，則A的執(zhí)行結(jié)果對B可見，并且A的執(zhí)行順序先于B。線程A先對共享變量A進(jìn)行加一，由2 happens-before 5關(guān)系可知線程A的執(zhí)行結(jié)果對線程B可見即線程B所讀取到的a的值為1。
2.3 鎖獲取和鎖釋放的內(nèi)存語義
在上一篇文章提到過JMM核心為兩個(gè)部分：happens-before規(guī)則以及內(nèi)存抽象模型。我們分析完Synchronized的happens-before關(guān)系后，還是不太完整的，我們接下來看看基于java內(nèi)存抽象模型的Synchronized的內(nèi)存語義。
廢話不多說依舊先上圖。
從上圖可以看出，線程A會首先先從主內(nèi)存中讀取共享變量a=0的值然后將該變量拷貝到自己的本地內(nèi)存，進(jìn)行加一操作后，再將該值刷新到主內(nèi)存，整個(gè)過程即為線程A 加鎖-->執(zhí)行臨界區(qū)代碼-->釋放鎖相對應(yīng)的內(nèi)存語義。
線程B獲取鎖的時(shí)候同樣會從主內(nèi)存中共享變量a的值，這個(gè)時(shí)候就是最新的值1,然后將該值拷貝到線程B的工作內(nèi)存中去，釋放鎖的時(shí)候同樣會重寫到主內(nèi)存中。
從整體上來看，線程A的執(zhí)行結(jié)果（a=1）對線程B是可見的，實(shí)現(xiàn)原理為：釋放鎖的時(shí)候會將值刷新到主內(nèi)存中，其他線程獲取鎖時(shí)會強(qiáng)制從主內(nèi)存中獲取最新的值。另外也驗(yàn)證了2 happens-before 5，2的執(zhí)行結(jié)果對5是可見的。
從橫向來看，這就像線程A通過主內(nèi)存中的共享變量和線程B進(jìn)行通信，A 告訴 B 我們倆的共享數(shù)據(jù)現(xiàn)在為1啦，這種線程間的通信機(jī)制正好吻合java的內(nèi)存模型正好是共享內(nèi)存的并發(fā)模型結(jié)構(gòu)。
3. synchronized優(yōu)化
通過上面的討論現(xiàn)在我們對Synchronized應(yīng)該有所印象了，它最大的特征就是在同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠獲得對象的監(jiān)視器（monitor），從而進(jìn)入到同步代碼塊或者同步方法之中，即表現(xiàn)為互斥性（排它性）。這種方式肯定效率低下，每次只能通過一個(gè)線程，既然每次只能通過一個(gè)，這種形式不能改變的話，那么我們能不能讓每次通過的速度變快一點(diǎn)了。打個(gè)比方，去收銀臺付款，之前的方式是，大家都去排隊(duì)，然后去紙幣付款收銀員找零，有的時(shí)候付款的時(shí)候在包里拿出錢包再去拿出錢，這個(gè)過程是比較耗時(shí)的，然后，支付寶解放了大家去錢包找錢的過程，現(xiàn)在只需要掃描下就可以完成付款了，也省去了收銀員跟你找零的時(shí)間的了。同樣是需要排隊(duì)，但整個(gè)付款的時(shí)間大大縮短，是不是整體的效率變高速率變快了？這種優(yōu)化方式同樣可以引申到鎖優(yōu)化上，縮短獲取鎖的時(shí)間，偉大的科學(xué)家們也是這樣做的，令人欽佩，畢竟java是這么優(yōu)秀的語言（微笑臉）。
在聊到鎖的優(yōu)化也就是鎖的幾種狀態(tài)前，有兩個(gè)知識點(diǎn)需要先關(guān)注：（1）CAS操作 （2）Java對象頭，這是理解下面知識的前提條件。
3.1 CAS操作
3.1.1 什么是CAS?
使用鎖時(shí)，線程獲取鎖是一種悲觀鎖策略，即假設(shè)每一次執(zhí)行臨界區(qū)代碼都會產(chǎn)生沖突，所以當(dāng)前線程獲取到鎖的時(shí)候同時(shí)也會阻塞其他線程獲取該鎖。而CAS操作（又稱為無鎖操作）是一種樂觀鎖策略，它假設(shè)所有線程訪問共享資源的時(shí)候不會出現(xiàn)沖突，既然不會出現(xiàn)沖突自然而然就不會阻塞其他線程的操作。因此，線程就不會出現(xiàn)阻塞停頓的狀態(tài)。那么，如果出現(xiàn)沖突了怎么辦？無鎖操作是使用CAS(compare and swap)又叫做比較交換來鑒別線程是否出現(xiàn)沖突，出現(xiàn)沖突就重試當(dāng)前操作直到?jīng)]有沖突為止。
3.1.2 CAS的操作過程
CAS比較交換的過程可以通俗的理解為CAS(V,O,N)，包含三個(gè)值分別為：V 內(nèi)存地址存放的實(shí)際值；O 預(yù)期的值（舊值）；N 更新的新值。當(dāng)V和O相同時(shí)，也就是說舊值和內(nèi)存中實(shí)際的值相同表明該值沒有被其他線程更改過，即該舊值O就是目前來說最新的值了，自然而然可以將新值N賦值給V。反之，V和O不相同，表明該值已經(jīng)被其他線程改過了則該舊值O不是最新版本的值了，所以不能將新值N賦給V，返回V即可。當(dāng)多個(gè)線程使用CAS操作一個(gè)變量是，只有一個(gè)線程會成功，并成功更新，其余會失敗。失敗的線程會重新嘗試，當(dāng)然也可以選擇掛起線程
CAS的實(shí)現(xiàn)需要硬件指令集的支撐，在JDK1.5后虛擬機(jī)才可以使用處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)。
Synchronized VS CAS
元老級的Synchronized(未優(yōu)化前)最主要的問題是：在存在線程競爭的情況下會出現(xiàn)線程阻塞和喚醒鎖帶來的性能問題，因?yàn)檫@是一種互斥同步（阻塞同步）。而CAS并不是武斷的間線程掛起，當(dāng)CAS操作失敗后會進(jìn)行一定的嘗試，而非進(jìn)行耗時(shí)的掛起喚醒的操作，因此也叫做非阻塞同步。這是兩者主要的區(qū)別。
3.1.3 CAS的應(yīng)用場景
在J.U.C包中利用CAS實(shí)現(xiàn)類有很多，可以說是支撐起整個(gè)concurrency包的實(shí)現(xiàn)，在Lock實(shí)現(xiàn)中會有CAS改變state變量，在atomic包中的實(shí)現(xiàn)類也幾乎都是用CAS實(shí)現(xiàn)，關(guān)于這些具體的實(shí)現(xiàn)場景在之后會詳細(xì)聊聊，現(xiàn)在有個(gè)印象就好了（微笑臉）。
3.1.4 CAS的問題
1. ABA問題
因?yàn)镃AS會檢查舊值有沒有變化，這里存在這樣一個(gè)有意思的問題。比如一個(gè)舊值A(chǔ)變?yōu)榱顺葿，然后再變成A，剛好在做CAS時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)舊值并沒有變化依然為A，但是實(shí)際上的確發(fā)生了變化。解決方案可以沿襲數(shù)據(jù)庫中常用的樂觀鎖方式，添加一個(gè)版本號可以解決。原來的變化路徑A->B->A就變成了1A->2B->3C。java這么優(yōu)秀的語言，當(dāng)然在java 1.5后的atomic包中提供了AtomicStampedReference來解決ABA問題，解決思路就是這樣的。
2. 自旋時(shí)間過長
使用CAS時(shí)非阻塞同步，也就是說不會將線程掛起，會自旋（無非就是一個(gè)死循環(huán)）進(jìn)行下一次嘗試，如果這里自旋時(shí)間過長對性能是很大的消耗。如果JVM能支持處理器提供的pause指令，那么在效率上會有一定的提升。
3. 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作
當(dāng)對一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)CAS能保證其原子性，如果對多個(gè)共享變量進(jìn)行操作,CAS就不能保證其原子性。有一個(gè)解決方案是利用對象整合多個(gè)共享變量，即一個(gè)類中的成員變量就是這幾個(gè)共享變量。然后將這個(gè)對象做CAS操作就可以保證其原子性。atomic中提供了AtomicReference來保證引用對象之間的原子性。
3.2 Java對象頭
在同步的時(shí)候是獲取對象的monitor,即獲取到對象的鎖。那么對象的鎖怎么理解？無非就是類似對對象的一個(gè)標(biāo)志，那么這個(gè)標(biāo)志就是存放在Java對象的對象頭。Java對象頭里的Mark Word里默認(rèn)的存放的對象的Hashcode,分代年齡和鎖標(biāo)記位。32為JVM Mark Word默認(rèn)存儲結(jié)構(gòu)為（注:java對象頭以及下面的鎖狀態(tài)變化摘自《java并發(fā)編程的藝術(shù)》一書，該書我認(rèn)為寫的足夠好，就沒在自己組織語言班門弄斧了）：
如圖在Mark Word會默認(rèn)存放hasdcode，年齡值以及鎖標(biāo)志位等信息。
Java SE 1.6中，鎖一共有4種狀態(tài)，級別從低到高依次是：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)，這幾個(gè)狀態(tài)會隨著競爭情況逐漸升級。鎖可以升級但不能降級，意味著偏向鎖升級成輕量級鎖后不能降級成偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。對象的MarkWord變化為下圖：
3.2 偏向鎖
HotSpot的作者經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競爭，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。
偏向鎖的獲取
當(dāng)一個(gè)線程訪問同步塊并獲取鎖時(shí)，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要進(jìn)行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下對象頭的Mark Word里是否存儲著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。如果測試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖。如果測試失敗，則需要再測試一下Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識是否設(shè)置成1（表示當(dāng)前是偏向鎖）：如果沒有設(shè)置，則使用CAS競爭鎖；如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程
偏向鎖的撤銷
偏向鎖使用了一種等到競爭出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，所以當(dāng)其他線程嘗試競爭偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。
如圖，偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒有正在執(zhí)行的字節(jié)碼）。它會首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活著，如果線程不處于活動狀態(tài)，則將對象頭設(shè)置成無鎖狀態(tài)；如果線程仍然活著，擁有偏向鎖的棧會被執(zhí)行，遍歷偏向?qū)ο蟮逆i記錄，棧中的鎖記錄和對象頭的Mark Word要么重新偏向于其他線程，要么恢復(fù)到無鎖或者標(biāo)記對象不適合作為偏向鎖，最后喚醒暫停的線程。
下圖線程1展示了偏向鎖獲取的過程，線程2展示了偏向鎖撤銷的過程。
如何關(guān)閉偏向鎖
偏向鎖在Java 6和Java 7里是默認(rèn)啟用的，但是它在應(yīng)用程序啟動幾秒鐘之后才激活，如有必要可以使用JVM參數(shù)來關(guān)閉延遲：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你確定應(yīng)用程序里所有的鎖通常情況下處于競爭狀態(tài)，可以通過JVM參數(shù)關(guān)閉偏向鎖：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默認(rèn)會進(jìn)入輕量級鎖狀態(tài)
3.3 輕量級鎖
加鎖
線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲鎖記錄的空間，并將對象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競爭鎖，當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖
解鎖
輕量級解鎖時(shí)，會使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到對象頭，如果成功，則表示沒有競爭發(fā)生。如果失敗，表示當(dāng)前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。下圖是兩個(gè)線程同時(shí)爭奪鎖，導(dǎo)致鎖膨脹的流程圖。
因?yàn)樽孕龝腃PU，為了避免無用的自旋（比如獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復(fù)到輕量級鎖狀態(tài)。當(dāng)鎖處于這個(gè)狀態(tài)下，其他線程試圖獲取鎖時(shí)，都會被阻塞住，當(dāng)持有鎖的線程釋放鎖之后會喚醒這些線程，被喚醒的線程就會進(jìn)行新一輪的奪鎖之爭。
3.5 各種鎖的比較
4. 一個(gè)例子
經(jīng)過上面的理解，我們現(xiàn)在應(yīng)該知道了該怎樣解決了。更正后的代碼為：
public class SynchronizedDemo implements Runnable {
private static int count = 0;
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new Thread(new SynchronizedDemo());
thread.start();
}
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("result: " + count);
}
@Override
public void run() {
synchronized (SynchronizedDemo.class) {
for (int i = 0; i < 1000000; I++)
count++;
}
}
}
開啟十個(gè)線程，每個(gè)線程在原值上累加1000000次，最終正確的結(jié)果為10X1000000=10000000，這里能夠計(jì)算出正確的結(jié)果是因?yàn)樵谧隼奂硬僮鲿r(shí)使用了同步代碼塊，這樣就能保證每個(gè)線程所獲得共享變量的值都是當(dāng)前最新的值，如果不使用同步的話，就可能會出現(xiàn)A線程累加后，而B線程做累加操作有可能是使用原來的就值，即“臟值”。這樣，就導(dǎo)致最終的計(jì)算結(jié)果不是正確的。而使用Syncnized就可能保證內(nèi)存可見性，保證每個(gè)線程都是操作的最新值。這里只是一個(gè)示例性的demo，聰明的你，還有其他辦法嗎？
參考文獻(xiàn)
《java并發(fā)編程的藝術(shù)》
作者：你聽___
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來源：簡書
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