Synchronized

1.介紹

Synchronized關鍵字解決的是多個線程之間訪問資源的同步性，synchronized關鍵字可以保證被它修飾的方法或者代碼塊在任意時刻只能有一個線程執行。

在 Java 早期版本中，synchronized屬于重量級鎖，效率低下，因為監視器鎖（monitor）是依賴于底層的操作系統的 Mutex Lock 來實現的，Java 的線程是映射到操作系統的原生線程之上的。如果要掛起或者喚醒一個線程，都需要操作系統幫忙完成，而操作系統實現線程之間的切換時需要從用戶態轉換到內核態，這個狀態之間的轉換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高，這也是為什么早期的 synchronized 效率低的原因。慶幸的是在 Java 6 之后 Java 官方對從 JVM 層面對synchronized 較大優化，所以現在的 synchronized 鎖效率也優化得很不錯了。JDK1.6對鎖的實現引入了大量的優化，如自旋鎖、適應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化、偏向鎖、輕量級鎖等技術來減少鎖操作的開。

2.如何使用

Synchronized關鍵字最主要的三種使用方式：

• 修飾實例方法: 作用于當前對象實例加鎖，進入同步代碼前要獲得當前對象實例的鎖

• 修飾靜態方法: 也就是給當前類加鎖，會作用于類的所有對象實例，因為靜態成員不屬于任何一個實例對象，是類成員（ static 表明這是該類的一個靜態資源，不管new了多少個對象，只有一份）。所以如果一個線程 A 調用一個實例對象的非靜態 synchronized 方法，而線程 B 需要調用這個實例對象所屬類的靜態 synchronized 方法，是允許的，不會發生互斥現象，因為訪問靜態 synchronized 方法占用的鎖是當前類的鎖，而訪問非靜態 synchronized 方法占用的鎖是當前實例對象鎖。

• 修飾代碼塊: 指定加鎖對象，對給定對象加鎖，進入同步代碼庫前要獲得給定對象的鎖。總結： synchronized 關鍵字加到 static 靜態方法和 synchronized(class)代碼塊上都是是給 Class 類上鎖。synchronized 關鍵字加到實例方法上是給對象實例上鎖。盡量不要使用 synchronized(String a) 因為JVM中，字符串常量池具有緩存功能.

雙重校驗鎖實現對象單例（線程安全）

public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public  static Singleton getUniqueInstance() {
       //先判斷對象是否已經實例過，沒有實例化過才進入加鎖代碼
        if (uniqueInstance == null) {
            //類對象加鎖
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

3.底層原理

① synchronized 同步語句塊的情況
synchronized 同步語句塊的實現使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代碼塊的開始位置，monitorexit 指令則指明同步代碼塊的結束位置。 當執行 monitorenter 指令時，線程試圖獲取鎖也就是獲取 monitor(monitor對象存在于每個Java對象的對象頭中，synchronized 鎖便是通過這種方式獲取鎖的，也是為什么Java中任意對象可以作為鎖的原因) 的持有權。當計數器為0則可以成功獲取，獲取后將鎖計數器設為1也就是加1。相應的在執行 monitorexit 指令后，將鎖計數器設為0，表明鎖被釋放。如果獲取對象鎖失敗，那當前線程就要阻塞等待，直到鎖被另外一個線程釋放為止。

② synchronized 修飾方法的的情況
synchronized 修飾的方法并沒有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的確實是 ACC_SYNCHRONIZED 標識，該標識指明了該方法是一個同步方法，JVM 通過該 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標志來辨別一個方法是否聲明為同步方法，從而執行相應的同步調用。

4.JDK1.6 之后的synchronized 底層優化

JDK1.6 對鎖的實現引入了大量的優化，如偏向鎖、輕量級鎖、自旋鎖、適應性自旋鎖、鎖消除、鎖粗化等技術來減少鎖操作的開銷。

鎖主要存在四中狀態，依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀態、重量級鎖狀態，他們會隨著競爭的激烈而逐漸升級。注意鎖可以升級不可降級，這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

①偏向鎖

引入偏向鎖的目的和引入輕量級鎖的目的很像，他們都是為了沒有多線程競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用操作系統互斥量產生的性能消耗。但是不同是：輕量級鎖在無競爭的情況下使用 CAS 操作去代替使用互斥量。而偏向鎖在無競爭的情況下會把整個同步都消除掉。

偏向鎖的“偏”就是偏心的偏，它的意思是會偏向于第一個獲得它的線程，如果在接下來的執行中，該鎖沒有被其他線程獲取，那么持有偏向鎖的線程就不需要進行同步！關于偏向鎖的原理可以查看《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》第二版的13章第三節鎖優化。

但是對于鎖競爭比較激烈的場合，偏向鎖就失效了，因為這樣場合極有可能每次申請鎖的線程都是不相同的，因此這種場合下不應該使用偏向鎖，否則會得不償失，需要注意的是，偏向鎖失敗后，并不會立即膨脹為重量級鎖，而是先升級為輕量級鎖。

② 輕量級鎖

倘若偏向鎖失敗，虛擬機并不會立即升級為重量級鎖，它還會嘗試使用一種稱為輕量級鎖的優化手段(1.6之后加入的)。輕量級鎖不是為了代替重量級鎖，它的本意是在沒有多線程競爭的前提下，減少傳統的重量級鎖使用操作系統互斥量產生的性能消耗，因為使用輕量級鎖時，不需要申請互斥量。另外，輕量級鎖的加鎖和解鎖都用到了CAS操作。 關于輕量級鎖的加鎖和解鎖的原理可以查看《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐》第二版的13章第三節鎖優化。

輕量級鎖能夠提升程序同步性能的依據是“對于絕大部分鎖，在整個同步周期內都是不存在競爭的”，這是一個經驗數據。如果沒有競爭，輕量級鎖使用 CAS 操作避免了使用互斥操作的開銷。但如果存在鎖競爭，除了互斥量開銷外，還會額外發生CAS操作，因此在有鎖競爭的情況下，輕量級鎖比傳統的重量級鎖更慢！如果鎖競爭激烈，那么輕量級將很快膨脹為重量級鎖！

③ 自旋鎖和自適應自旋

輕量級鎖失敗后，虛擬機為了避免線程真實地在操作系統層面掛起，還會進行一項稱為自旋鎖的優化手段。

互斥同步對性能最大的影響就是阻塞的實現，因為掛起線程/恢復線程的操作都需要轉入內核態中完成（用戶態轉換到內核態會耗費時間）。

一般線程持有鎖的時間都不是太長，所以僅僅為了這一點時間去掛起線程/恢復線程是得不償失的。 所以，虛擬機的開發團隊就這樣去考慮：“我們能不能讓后面來的請求獲取鎖的線程等待一會而不被掛起呢？看看持有鎖的線程是否很快就會釋放鎖”。為了讓一個線程等待，我們只需要讓線程執行一個忙循環（自旋），這項技術就叫做自旋。

百度百科對自旋鎖的解釋：

何謂自旋鎖？它是為實現保護共享資源而提出一種鎖機制。其實，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為了解決對某項資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時刻，最多只能有一個保持者，也就說，在任何時刻最多只能有一個執行單元獲得鎖。但是兩者在調度機制上略有不同。對于互斥鎖，如果資源已經被占用，資源申請者只能進入睡眠狀態。但是自旋鎖不會引起調用者睡眠，如果自旋鎖已經被別的執行單元保持，調用者就一直循環在那里看是否該自旋鎖的保持者已經釋放了鎖，"自旋"一詞就是因此而得名。

自旋鎖在 JDK1.6 之前其實就已經引入了，不過是默認關閉的，需要通過--XX:+UseSpinning參數來開啟。JDK1.6及1.6之后，就改為默認開啟的了。需要注意的是：自旋等待不能完全替代阻塞，因為它還是要占用處理器時間。如果鎖被占用的時間短，那么效果當然就很好了！反之，相反！自旋等待的時間必須要有限度。如果自旋超過了限定次數任然沒有獲得鎖，就應該掛起線程。自旋次數的默認值是10次，用戶可以修改--XX:PreBlockSpin來更改。

另外,在 JDK1.6 中引入了自適應的自旋鎖。自適應的自旋鎖帶來的改進就是：自旋的時間不在固定了，而是和前一次同一個鎖上的自旋時間以及鎖的擁有者的狀態來決定，虛擬機變得越來越“聰明”了。

④ 鎖消除

鎖消除理解起來很簡單，它指的就是虛擬機即使編譯器在運行時，如果檢測到那些共享數據不可能存在競爭，那么就執行鎖消除。鎖消除可以節省毫無意義的請求鎖的時間。

⑤ 鎖粗化

原則上，我們在編寫代碼的時候，總是推薦將同步塊的作用范圍限制得盡量小，——直在共享數據的實際作用域才進行同步，這樣是為了使得需要同步的操作數量盡可能變小，如果存在鎖競爭，那等待線程也能盡快拿到鎖。

大部分情況下，上面的原則都是沒有問題的，但是如果一系列的連續操作都對同一個對象反復加鎖和解鎖，那么會帶來很多不必要的性能消耗。

5.synchronized和ReentrantLock 的區別

① 兩者都是可重入鎖

兩者都是可重入鎖。“可重入鎖”概念是：自己可以再次獲取自己的內部鎖。比如一個線程獲得了某個對象的鎖，此時這個對象鎖還沒有釋放，當其再次想要獲取這個對象的鎖的時候還是可以獲取的，如果不可鎖重入的話，就會造成死鎖。同一個線程每次獲取鎖，鎖的計數器都自增1，所以要等到鎖的計數器下降為0時才能釋放鎖。

② synchronized 依賴于 JVM 而 ReentrantLock 依賴于 API

synchronized 是依賴于 JVM 實現的，前面我們也講到了 虛擬機團隊在 JDK1.6 為 synchronized 關鍵字進行了很多優化，但是這些優化都是在虛擬機層面實現的，并沒有直接暴露給我們。ReentrantLock 是 JDK 層面實現的（也就是 API 層面，需要 lock() 和 unlock() 方法配合 try/finally 語句塊來完成），所以我們可以通過查看它的源代碼，來看它是如何實現的。

③ ReentrantLock 比 synchronized 增加了一些高級功能

相比synchronized，ReentrantLock增加了一些高級功能。主要來說主要有三點：①等待可中斷；②可實現公平鎖；③可實現選擇性通知（鎖可以綁定多個條件）

ReentrantLock提供了一種能夠中斷等待鎖的線程的機制，通過lock.lockInterruptibly()來實現這個機制。也就是說正在等待的線程可以選擇放棄等待，改為處理其他事情。
ReentrantLock可以指定是公平鎖還是非公平鎖。而synchronized只能是非公平鎖。所謂的公平鎖就是先等待的線程先獲得鎖。 ReentrantLock默認情況是非公平的，可以通過 ReentrantLock類的ReentrantLock(boolean fair)構造方法來制定是否是公平的。
synchronized關鍵字與wait()和notify()/notifyAll()方法相結合可以實現等待/通知機制，ReentrantLock類當然也可以實現，但是需要借助于Condition接口與newCondition() 方法。Condition是JDK1.5之后才有的，它具有很好的靈活性，比如可以實現多路通知功能也就是在一個Lock對象中可以創建多個Condition實例（即對象監視器），線程對象可以注冊在指定的Condition中，從而可以有選擇性的進行線程通知，在調度線程上更加靈活。 在使用notify()/notifyAll()方法進行通知時，被通知的線程是由 JVM 選擇的，用ReentrantLock類結合Condition實例可以實現“選擇性通知” ，這個功能非常重要，而且是Condition接口默認提供的。而synchronized關鍵字就相當于整個Lock對象中只有一個Condition實例，所有的線程都注冊在它一個身上。如果執行notifyAll()方法的話就會通知所有處于等待狀態的線程這樣會造成很大的效率問題，而Condition實例的signalAll()方法 只會喚醒注冊在該Condition實例中的所有等待線程。
如果你想使用上述功能，那么選擇ReentrantLock是一個不錯的選擇。

④ 性能已不是選擇標準