13張圖,深入理解Synchronized
前言
本文帶讀者們由淺入深理解Synchronized,讓讀者們也能與面試官瘋狂對線。
在并發(fā)編程中Synchronized一直都是元老級的角色,Jdk 1.6以前大家都稱呼它為重量級鎖,相對于J U C包提供的Lock,它會顯得笨重,不過隨著Jdk 1.6對Synchronized進(jìn)行各種優(yōu)化后,Synchronized性能已經(jīng)非??炝?。
內(nèi)容大綱
Synchronized使用方式
Synchronized是Java提供的同步關(guān)鍵字,在多線程場景下,對共享資源代碼段進(jìn)行讀寫操作(必須包含寫操作,光讀不會有線程安全問題,因為讀操作天然具備線程安全特性),可能會出現(xiàn)線程安全問題,我們可以使用Synchronized鎖定共享資源代碼段,達(dá)到互斥(mutualexclusion)效果,保證線程安全。
共享資源代碼段又稱為臨界區(qū)(critical section),保證臨界區(qū)互斥,是指執(zhí)行臨界區(qū)(critical section)的只能有一個線程執(zhí)行,其他線程阻塞等待,達(dá)到排隊效果。
Synchronized的食用方式有三種
- 修飾普通函數(shù),監(jiān)視器鎖(monitor)便是對象實例(this)
- 修飾靜態(tài)靜態(tài)函數(shù),視器鎖(monitor)便是對象的Class實例(每個對象只有一個Class實例)
- 修飾代碼塊,監(jiān)視器鎖(monitor)是指定對象實例
普通函數(shù)
普通函數(shù)使用Synchronized的方式很簡單,在訪問權(quán)限修飾符與函數(shù)返回類型間加上Synchronized。
多線程場景下,thread與threadTwo兩個線程執(zhí)行incr函數(shù),incr函數(shù)作為共享資源代碼段被多線程讀寫操作,我們將它稱為臨界區(qū),為了保證臨界區(qū)互斥,使用Synchronized修飾incr函數(shù)即可。
- public class SyncTest {
- private int j = 0;
- /**
- * 自增方法
- */
- public synchronized void incr(){
- //臨界區(qū)代碼--start
- for (int i = 0; i < 10000; i++) {
- j++;
- }
- //臨界區(qū)代碼--end
- }
- public int getJ() {
- return j;
- }
- }
- public class SyncMain {
- public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
- SyncTest syncTest = new SyncTest();
- Thread thread = new Thread(() -> syncTest.incr());
- Thread threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incr());
- thread.start();
- threadTwo.start();
- thread.join();
- threadTwo.join();
- //最終打印結(jié)果是20000,如果不使用synchronized修飾,就會導(dǎo)致線程安全問題,輸出不確定結(jié)果
- System.out.println(syncTest.getJ());
- }
- }
代碼十分簡單,incr函數(shù)被synchronized修飾,函數(shù)邏輯是對j進(jìn)行10000次累加,兩個線程執(zhí)行incr函數(shù),最后輸出j結(jié)果。
被synchronized修飾函數(shù)我們簡稱同步函數(shù),線程執(zhí)行稱同步函數(shù)前,需要先獲取監(jiān)視器鎖,簡稱鎖,獲取鎖成功才能執(zhí)行同步函數(shù),同步函數(shù)執(zhí)行完后,線程會釋放鎖并通知喚醒其他線程獲取鎖,獲取鎖失敗「則阻塞并等待通知喚醒該線程重新獲取鎖」,同步函數(shù)會以this作為鎖,即當(dāng)前對象,以上面的代碼段為例就是syncTest對象。
- 線程thread執(zhí)行syncTest.incr()前
- 線程thread獲取鎖成功
- 線程threadTwo執(zhí)行syncTest.incr()前
- 線程threadTwo獲取鎖失敗
- 線程threadTwo阻塞并等待喚醒
- 線程thread執(zhí)行完syncTest.incr(),j累積到10000
- 線程thread釋放鎖,通知喚醒threadTwo線程獲取鎖
- 線程threadTwo獲取鎖成功
- 線程threadTwo執(zhí)行完syncTest.incr(),j累積到20000
- 線程threadTwo釋放鎖
靜態(tài)函數(shù)
靜態(tài)函數(shù)顧名思義,就是靜態(tài)的函數(shù),它使用Synchronized的方式與普通函數(shù)一致,唯一的區(qū)別是鎖的對象不再是this,而是Class對象。
多線程執(zhí)行Synchronized修飾靜態(tài)函數(shù)代碼段如下。
- public class SyncTest {
- private static int j = 0;
- /**
- * 自增方法
- */
- public static synchronized void incr(){
- //臨界區(qū)代碼--start
- for (int i = 0; i < 10000; i++) {
- j++;
- }
- //臨界區(qū)代碼--end
- }
- public static int getJ() {
- return j;
- }
- }
- public class SyncMain {
- public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
- Thread thread = new Thread(() -> SyncTest.incr());
- Thread threadTwo = new Thread(() -> SyncTest.incr());
- thread.start();
- threadTwo.start();
- thread.join();
- threadTwo.join();
- //最終打印結(jié)果是20000,如果不使用synchronized修飾,就會導(dǎo)致線程安全問題,輸出不確定結(jié)果
- System.out.println(SyncTest.getJ());
- }
- }
Java的靜態(tài)資源可以直接通過類名調(diào)用,靜態(tài)資源不屬于任何實例對象,它只屬于Class對象,每個Class在J V M中只有唯一的一個Class對象,所以同步靜態(tài)函數(shù)會以Class對象作為鎖,后續(xù)獲取鎖、釋放鎖流程都一致。
代碼塊
前面介紹的普通函數(shù)與靜態(tài)函數(shù)粒度都比較大,以整個函數(shù)為范圍鎖定,現(xiàn)在想把范圍縮小、靈活配置,就需要使用代碼塊了,使用{}符號定義范圍給Synchronized修飾。
下面代碼中定義了syncDbData函數(shù),syncDbData是一個偽同步數(shù)據(jù)的函數(shù),耗時2秒,并且邏輯不涉及共享資源讀寫操作(非臨界區(qū)),另外還有兩個函數(shù)incr與incrTwo,都是在自增邏輯前執(zhí)行了syncDbData函數(shù),只是使用Synchronized的姿勢不同,一個是修飾在函數(shù)上,另一個是修飾在代碼塊上。
- public class SyncTest {
- private static int j = 0;
- /**
- * 同步庫數(shù)據(jù),比較耗時,代碼資源不涉及共享資源讀寫操作。
- */
- public void syncDbData() {
- System.out.println("db數(shù)據(jù)開始同步------------");
- try {
- //同步時間需要2秒
- Thread.sleep(2000);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("db數(shù)據(jù)開始同步完成------------");
- }
- //自增方法
- public synchronized void incr() {
- //start--臨界區(qū)代碼
- //同步庫數(shù)據(jù)
- syncDbData();
- for (int i = 0; i < 10000; i++) {
- j++;
- }
- //end--臨界區(qū)代碼
- }
- //自增方法
- public void incrTwo() {
- //同步庫數(shù)據(jù)
- syncDbData();
- synchronized (this) {
- //start--臨界區(qū)代碼
- for (int i = 0; i < 10000; i++) {
- j++;
- }
- //end--臨界區(qū)代碼
- }
- }
- public int getJ() {
- return j;
- }
- }
- public class SyncMain {
- public static void main(String[] agrs) throws InterruptedException {
- //incr同步方法執(zhí)行
- SyncTest syncTest = new SyncTest();
- Thread thread = new Thread(() -> syncTest.incr());
- Thread threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incr());
- thread.start();
- threadTwo.start();
- thread.join();
- threadTwo.join();
- //最終打印結(jié)果是20000
- System.out.println(syncTest.getJ());
- //incrTwo同步塊執(zhí)行
- thread = new Thread(() -> syncTest.incrTwo());
- threadTwo = new Thread(() -> syncTest.incrTwo());
- thread.start();
- threadTwo.start();
- thread.join();
- threadTwo.join();
- //最終打印結(jié)果是40000
- System.out.println(syncTest.getJ());
- }
- }
先看看incr同步方法執(zhí)行,流程和前面沒區(qū)別,只是Synchronized鎖定的范圍太大,把syncDbData()也納入臨界區(qū)中,多線程場景執(zhí)行,會有性能上的浪費,因為syncDbData()完全可以讓多線程并行或并發(fā)執(zhí)行。
我們通過代碼塊的方式,來縮小范圍,定義正確的臨界區(qū),提升性能,目光轉(zhuǎn)到incrTwo同步塊執(zhí)行,incrTwo函數(shù)使用修飾代碼塊的方式同步,只對自增代碼段進(jìn)行鎖定。
代碼塊同步方式除了靈活控制范圍外,還能做線程間的協(xié)同工作,因為Synchronized ()括號中能接收任何對象作為鎖,所以可以通過Object的wait、notify、notifyAll等函數(shù),做多線程間的通信協(xié)同(本文不對線程通信協(xié)同做展開,主角是Synchronized,而且也不推薦去用這些方法,因為LockSupport工具類會是更好的選擇)。
- wait:當(dāng)前線程暫停,釋放鎖
- notify:釋放鎖,喚醒調(diào)用了wait的線程(如果有多個隨機喚醒一個)
- notifyAll:釋放鎖,喚醒調(diào)用了wait的所有線程
Synchronized原理
- public class SyncTest {
- private static int j = 0;
- /**
- * 同步庫數(shù)據(jù),比較耗時,代碼資源不涉及共享資源讀寫操作。
- */
- public void syncDbData() {
- System.out.println("db數(shù)據(jù)開始同步------------");
- try {
- //同步時間需要2秒
- Thread.sleep(2000);
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- System.out.println("db數(shù)據(jù)開始同步完成------------");
- }
- //自增方法
- public synchronized void incr() {
- //start--臨界區(qū)代碼
- //同步庫數(shù)據(jù)
- syncDbData();
- for (int i = 0; i < 10000; i++) {
- j++;
- }
- //end--臨界區(qū)代碼
- }
- //自增方法
- public void incrTwo() {
- //同步庫數(shù)據(jù)
- syncDbData();
- synchronized (this) {
- //start--臨界區(qū)代碼
- for (int i = 0; i < 10000; i++) {
- j++;
- }
- //end--臨界區(qū)代碼
- }
- }
- public int getJ() {
- return j;
- }
- }
為了探究Synchronized原理,我們對上面的代碼進(jìn)行反編譯,輸出反編譯后結(jié)果,看看底層是如何實現(xiàn)的(環(huán)境Java 11、win 10系統(tǒng))。
- 只截取了incr與incrTwo函數(shù)內(nèi)容
- public synchronized void incr();
- Code:
- 0: aload_0
- 1: invokevirtual #11 // Method syncDbData:()V
- 4: iconst_0
- 5: istore_1
- 6: iload_1
- 7: sipush 10000
- 10: if_icmpge 27
- 13: getstatic #12 // Field j:I
- 16: iconst_1
- 17: iadd
- 18: putstatic #12 // Field j:I
- 21: iinc 1, 1
- 24: goto 6
- 27: return
- public void incrTwo();
- Code:
- 0: aload_0
- 1: invokevirtual #11 // Method syncDbData:()V
- 4: aload_0
- 5: dup
- 6: astore_1
- 7: monitorenter //獲取鎖
- 8: iconst_0
- 9: istore_2
- 10: iload_2
- 11: sipush 10000
- 14: if_icmpge 31
- 17: getstatic #12 // Field j:I
- 20: iconst_1
- 21: iadd
- 22: putstatic #12 // Field j:I
- 25: iinc 2, 1
- 28: goto 10
- 31: aload_1
- 32: monitorexit //正常退出釋放鎖
- 33: goto 41
- 36: astore_3
- 37: aload_1
- 38: monitorexit //異步退出釋放鎖
- 39: aload_3
- 40: athrow
- 41: return
ps:對上面指令感興趣的讀者,可以百度或google一下“JVM 虛擬機字節(jié)碼指令表”
先看incrTwo函數(shù),incrTwo是代碼塊方式同步,在反編譯后的結(jié)果中,我們發(fā)現(xiàn)存在monitorenter與monitorexit指令(獲取鎖、釋放鎖)。
monitorenter指令插入到同步代碼塊的開始位置,monitorexit指令插入到同步代碼塊的結(jié)束位置,J V M需要保證每一個 monitorenter都有monitorexit與之對應(yīng)。
任何對象都有一個監(jiān)視器鎖(monitor)關(guān)聯(lián),線程執(zhí)行monitorenter指令時嘗試獲取monitor的所有權(quán)。
- 如果monitor的進(jìn)入數(shù)為0,則該線程進(jìn)入monitor,然后將進(jìn)入數(shù)設(shè)置為1,該線程為monitor的所有者
- 如果線程已經(jīng)占有該monitor,重新進(jìn)入,則monitor的進(jìn)入數(shù)加1
- 線程執(zhí)行monitorexit,monitor的進(jìn)入數(shù)-1,執(zhí)行過多少次monitorenter,最終要執(zhí)行對應(yīng)次數(shù)的monitorexit
- 如果其他線程已經(jīng)占用monitor,則該線程進(jìn)入阻塞狀態(tài),直到monitor的進(jìn)入數(shù)為0,再重新嘗試獲取monitor的所有權(quán)
回過頭看incr函數(shù),incr是普通函數(shù)方式同步,雖然在反編譯后的結(jié)果中沒有看到monitorenter與monitorexit指令,但是實際執(zhí)行的流程與incrTwo函數(shù)一樣,通過monitor來執(zhí)行,只不過它是一種隱式的方式來實現(xiàn),最后放一張流程圖。
Synchronized優(yōu)化
Jdk 1.5以后對Synchronized關(guān)鍵字做了各種的優(yōu)化,經(jīng)過優(yōu)化后Synchronized已經(jīng)變得原來越快了,這也是為什么官方建議使用Synchronized的原因,具體的優(yōu)化點如下。
- 鎖粗化
- 鎖消除
- 鎖升級
鎖粗化
互斥的臨界區(qū)范圍應(yīng)該盡可能小,這樣做的目的是為了使同步的操作數(shù)量盡可能縮小,縮短阻塞時間,如果存在鎖競爭,那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。
但是加鎖解鎖也需要消耗資源,如果存在一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作,可能會導(dǎo)致不必要的性能損耗,鎖粗化就是將「多個連續(xù)的加鎖、解鎖操作連接在一起」,擴(kuò)展成一個范圍更大的鎖,避免頻繁的加鎖解鎖操作。
J V M會檢測到一連串的操作都對同一個對象加鎖(for循環(huán)10000次執(zhí)行j++,沒有鎖粗化就要進(jìn)行10000次加鎖/解鎖),此時J V M就會將加鎖的范圍粗化到這一連串操作的外部(比如for循環(huán)體外),使得這一連串操作只需要加一次鎖即可。
鎖消除
Java虛擬機在JIT編譯時(可以簡單理解為當(dāng)某段代碼即將第一次被執(zhí)行時進(jìn)行編譯,又稱即時編譯),通過對運行上下文的掃描,經(jīng)過逃逸分析(對象在函數(shù)中被使用,也可能被外部函數(shù)所引用,稱為函數(shù)逃逸),去除不可能存在共享資源競爭的鎖,通過這種方式消除沒有必要的鎖,可以節(jié)省毫無意義的時間消耗。
代碼中使用Object作為鎖,但是Object對象的生命周期只在incrFour()函數(shù)中,并不會被其他線程所訪問到,所以在J I T編譯階段就會被優(yōu)化掉(此處的Object屬于沒有逃逸的對象)。
鎖升級
Java中每個對象都擁有對象頭,對象頭由Mark World 、指向類的指針、以及數(shù)組長度三部分組成,本文,我們只需要關(guān)心Mark World 即可,Mark World 記錄了對象的HashCode、分代年齡和鎖標(biāo)志位信息。
Mark World簡化結(jié)構(gòu)
鎖狀態(tài) | 存儲內(nèi)容 | 鎖標(biāo)記 |
---|---|---|
無鎖 | 對象的hashCode、對象分代年齡、是否是偏向鎖(0) | 01 |
偏向鎖 | 偏向線程ID、偏向時間戳、對象分代年齡、是否是偏向鎖(1) | 01 |
輕量級鎖 | 指向棧中鎖記錄的指針 | 00 |
重量級鎖 | 指向互斥量(重量級鎖)的指針 | 10 |
讀者們只需知道,鎖的升級變化,體現(xiàn)在鎖對象的對象頭Mark World部分,也就是說Mark World的內(nèi)容會隨著鎖升級而改變。
Java1.5以后為了減少獲取鎖和釋放鎖帶來的性能消耗,引入了偏向鎖和輕量級鎖,Synchronized的升級順序是 「無鎖-->偏向鎖-->輕量級鎖-->重量級鎖,只會升級不會降級」
偏向鎖
在大多數(shù)情況下,鎖總是由同一線程多次獲得,不存在多線程競爭,所以出現(xiàn)了偏向鎖,其目標(biāo)就是在只有一個線程執(zhí)行同步代碼塊時,降低獲取鎖帶來的消耗,提高性能(可以通過J V M參數(shù)關(guān)閉偏向鎖:-XX:-UseBiasedLocking=false,關(guān)閉之后程序默認(rèn)會進(jìn)入輕量級鎖狀態(tài))。
線程執(zhí)行同步代碼或方法前,線程只需要判斷對象頭的Mark Word中線程ID與當(dāng)前線程ID是否一致,如果一致直接執(zhí)行同步代碼或方法,具體流程如下
- 無鎖狀態(tài),存儲內(nèi)容「是否為偏向鎖(0)」,鎖標(biāo)識位01
- CAS設(shè)置當(dāng)前線程ID到Mark Word存儲內(nèi)容中
- 是否為偏向鎖0 => 是否為偏向鎖1
- 執(zhí)行同步代碼或方法
- 偏向鎖狀態(tài),存儲內(nèi)容「是否為偏向鎖(1)、線程ID」,鎖標(biāo)識位01
- 對比線程ID是否一致,如果一致執(zhí)行同步代碼或方法,否則進(jìn)入下面的流程
- 如果不一致,CAS將Mark Word的線程ID設(shè)置為當(dāng)前線程ID,設(shè)置成功,執(zhí)行同步代碼或方法,否則進(jìn)入下面的流程
- CAS設(shè)置失敗,證明存在多線程競爭情況,觸發(fā)撤銷偏向鎖,當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點,偏向鎖的線程被掛起,偏向鎖升級為輕量級鎖,然后在安全點的位置恢復(fù)繼續(xù)往下執(zhí)行。
輕量級鎖
輕量級鎖考慮的是競爭鎖對象的線程不多,持有鎖時間也不長的場景。因為阻塞線程需要C P U從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài),代價較大,如果剛剛阻塞不久這個鎖就被釋放了,那這個代價就有點得不償失,所以干脆不阻塞這個線程,讓它自旋一段時間等待鎖釋放。
當(dāng)前線程持有的鎖是偏向鎖的時候,被另外的線程所訪問,偏向鎖就會升級為輕量級鎖,其他線程會通過自旋的形式嘗試獲取鎖,不會阻塞,從而提高性能。輕量級鎖的獲取主要有兩種情況:① 當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能時;② 多個線程競爭偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級為輕量級鎖。
- 無鎖狀態(tài),存儲內(nèi)容「是否為偏向鎖(0)」,鎖標(biāo)識位01
- 關(guān)閉偏向鎖功能時
- CAS設(shè)置當(dāng)前線程棧中鎖記錄的指針到Mark Word存儲內(nèi)容
- 鎖標(biāo)識位設(shè)置為00
- 執(zhí)行同步代碼或方法
- 釋放鎖時,還原來Mark Word內(nèi)容
- 輕量級鎖狀態(tài),存儲內(nèi)容「線程棧中鎖記錄的指針」,鎖標(biāo)識位00(存儲內(nèi)容的線程是指"持有輕量級鎖的線程")
- CAS設(shè)置當(dāng)前線程棧中鎖記錄的指針到Mark Word存儲內(nèi)容,設(shè)置成功獲取輕量級鎖,執(zhí)行同步塊代碼或方法,否則執(zhí)行下面的邏輯
- 設(shè)置失敗,證明多線程存在一定競爭,線程自旋上一步的操作,自旋一定次數(shù)后還是失敗,輕量級鎖升級為重量級鎖
- Mark Word存儲內(nèi)容替換成重量級鎖指針,鎖標(biāo)記位10
重量級鎖
輕量級鎖膨脹之后,就升級為重量級鎖,重量級鎖是依賴操作系統(tǒng)的MutexLock(互斥鎖)來實現(xiàn)的,需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài),這個成本非常高,這就是為什么Java1.6之前Synchronized效率低的原因。
升級為重量級鎖時,鎖標(biāo)志位的狀態(tài)值變?yōu)?0,此時Mark Word中存儲內(nèi)容的是重量級鎖的指針,等待鎖的線程都會進(jìn)入阻塞狀態(tài),下面是簡化版的鎖升級過程。