Java多线程——synchronized

最新推荐文章于 2024-11-25 19:47:08 发布

&北笙&

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文章标签： java 开发语言

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_46038850/article/details/134720681

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synchronized是Java中的关键字，是一种同步锁。它修饰的对象有以下几种：

1. 修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，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；
　　2. 修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，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；
　　3. 修改一个静态的方法，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；
　　4. 修改一个类，其作用的范围是synchronized后面括号括起来的部分，作用主的对象是这个类的所有对象。

synchronized关键字三大特性是什么？

原子性：一个或多个操作要么全部执行成功，要么全部执行失败。synchronized关键字可以保证只有一个线程拿到锁，访问共享资源。
可见性：当一个线程对共享变量进行修改后，其他线程可以立刻看到。执行synchronized时，会对应执行 lock、unlock原子操作，保证可见性。
有序性：程序的执行顺序会按照代码的先后顺序执行。

synchronized关键字可以实现什么类型的锁？

悲观锁：synchronized关键字实现的是悲观锁，每次访问共享资源时都会上锁。
非公平锁：synchronized关键字实现的是非公平锁，即线程获取锁的顺序并不一定是按照线程阻塞的顺序。
可重入锁：synchronized关键字实现的是可重入锁，即已经获取锁的线程可以再次获取锁。
独占锁或者排他锁：synchronized关键字实现的是独占锁，即该锁只能被一个线程所持有，其他线程均被阻塞。

synchronized关键字的使用方式

synchronized主要有三种使用方式：修饰普通同步方法、修饰静态同步方法、修饰同步方法块。

class syncTest implements Runnable {
 
     private static int i = 0;   //共享资源
 
     private synchronized void add() {
         i++;
     }
 
     @Override
     public void run() {
         for (int j = 0; j < 10000; j++) {
             add();
         }
     }
 
     public static void main(String[] args) throws Exception {
 
         syncTest syncTest = new syncTest();
 
         Thread t1 = new Thread(syncTest);
         Thread t2 = new Thread(syncTest);
 
         t1.start();
         t2.start();
 
         t1.join();
         t2.join();
 
         System.out.println(i);
     }
 }

修饰静态方法

只需要在add()方法前用static修饰即可，即当synchronized作用于静态方法，锁就是当前的class对象。

class syncTest implements Runnable {
 
     private static int i = 0;   //共享资源
 
     private static synchronized void add() {
         i++;
     }
 
     @Override
     public void run() {
         for (int j = 0; j < 10000; j++) {
             add();
         }
     }
 
     public static void main(String[] args) throws Exception {
 
 //        syncTest syncTest = new syncTest();
 
         Thread t1 = new Thread(new syncTest());
         Thread t2 = new Thread(new syncTest());
 
         t1.start();
         t2.start();
 
         t1.join();
         t2.join();
 
         System.out.println(i);
     }
 }

修饰同步代码代码块

如果某些情况下，整个方法体比较大，需要同步的代码只是一小部分，如果直接对整个方法体进行同步，会使得代码性能变差，这时只需要对一小部分代码进行同步即可。代码如下：

class syncTest implements Runnable {
 
     static int i = 0;   //共享资源
 
     @Override
     public void run() {
         //其他操作.......
         synchronized (this){   //this表示当前对象实例，这里还可以使用syncTest.class，表示class对象锁
             for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                 i++;
             }
         }
 
     }
 
     public static void main(String[] args) throws Exception {
 
         syncTest syncTest = new syncTest();
 
         Thread t1 = new Thread(syncTest);
         Thread t2 = new Thread(syncTest);
 
         t1.start();
         t2.start();
 
         t1.join();
         t2.join();
 
         System.out.println(i);
     }
 }

偏向锁

引入偏向锁的目的：减少只有一个线程执行同步代码块时的性能消耗，即在没有其他线程竞争的情况下，一个线程获得了锁。

偏向锁的获取流程：

检查对象头中Mark Word是否为可偏向状态，如果不是则直接升级为轻量级锁。
如果是，判断Mark Work中的线程ID是否指向当前线程，如果是，则执行同步代码块。
如果不是，则进行CAS操作竞争锁，如果竞争到锁，则将Mark Work中的线程ID设为当前线程ID，执行同步代码块。
如果竞争失败，升级为轻量级锁。

偏向锁的获取流程如下图：

偏向锁的撤销：

只有等到竞争，持有偏向锁的线程才会撤销偏向锁。偏向锁撤销后会恢复到无锁或者轻量级锁的状态。

偏向锁的撤销需要到达全局安全点，全局安全点表示一种状态，该状态下所有线程都处于暂停状态。
判断锁对象是否处于无锁状态，即获得偏向锁的线程如果已经退出了临界区，表示同步代码已经执行完了。重新竞争锁的线程会进行CAS操作替代原来线程的ThreadID。
如果获得偏向锁的线程还处于临界区之内，表示同步代码还未执行完，将获得偏向锁的线程升级为轻量级锁。

一句话简单总结偏向锁原理：使用CAS操作将当前线程的ID记录到对象的Mark Word中。

轻量级锁

引入轻量级锁的目的：在多线程交替执行同步代码块时（未发生竞争），避免使用互斥量（重量锁）带来的性能消耗。但多个线程同时进入临界区（发生竞争）则会使得轻量级锁膨胀为重量级锁。

轻量级锁的获取流程：

首先判断当前对象是否处于一个无锁的状态，如果是，Java虚拟机将在当前线程的栈帧建立一个锁记录（Lock Record），用于存储对象目前的Mark Word的拷贝，如图所示。

将对象的Mark Word复制到栈帧中的Lock Record中，并将Lock Record中的owner指向当前对象，并使用CAS操作将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如图所示。

如果第二步执行成功，表示该线程获得了这个对象的锁，将对象Mark Word中锁的标志位设置为“00”，执行同步代码块。
如果第二步未执行成功，需要先判断当前对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，表示当前线程已经持有了当前对象的锁，这是一次重入，直接执行同步代码块。如果不是表示多个线程存在竞争，该线程通过自旋尝试获得锁，即重复步骤2，自旋超过一定次数，轻量级锁升级为重量级锁。

轻量级锁的解锁：

轻量级的解锁同样是通过CAS操作进行的，线程会通过CAS操作将Lock Record中的Mark Word（官方称为Displaced Mark Word）替换回来。如果成功表示没有竞争发生，成功释放锁，恢复到无锁的状态；如果失败，表示当前锁存在竞争，升级为重量级锁。

一句话总结轻量级锁的原理：将对象的Mark Word复制到当前线程的Lock Record中，并将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。

自旋锁

Java锁的几种状态并不包括自旋锁，当轻量级锁的竞争就是采用的自旋锁机制。

什么是自旋锁：当线程A已经获得锁时，线程B再来竞争锁，线程B不会直接被阻塞，而是在原地循环等待，当线程A释放锁后，线程B可以马上获得锁。

引入自旋锁的原因：因为阻塞和唤起线程都会引起操作系统用户态和核心态的转变，对系统性能影响较大，而自旋等待可以避免线程切换的开销。

自旋锁的缺点：自旋等待虽然可以避免线程切花的开销，但它也会占用处理器的时间。如果持有锁的线程在较短的时间内释放了锁，自旋锁的效果就比较好，如果持有锁的线程很长时间都不释放锁，自旋的线程就会白白浪费资源，所以一般线程自旋的次数必须有一个限制，该次数可以通过参数-XX:PreBlockSpin调整，一般默认为10。

自适应自旋锁：JDK1.6引入了自适应自旋锁，自适应自旋锁的自旋次数不在固定，而是由上一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定的。如果对于某个锁对象，刚刚有线程自旋等待成功获取到锁，那么虚拟机将认为这次自旋等待的成功率也很高，会允许线程自旋等待的时间更长一些。如果对于某个锁对象，线程自旋等待很少成功获取到锁，那么虚拟机将会减少线程自旋等待的时间。

偏向锁、轻量级锁、重量级锁的对比

当线程1进入到一个对象的synchronized方法A后，线程2是否可以进入到此对象的synchronized方法B?

不能，线程2只能访问该对象的非同步方法。因为执行同步方法时需要获得对象的锁，而线程1在进入sychronized修饰的方A时已经获取到了锁，线程2只能等待，无法进入到synchronized修饰的方法B，但可以进入到其他非synchronized修饰的方法。

synchronized和volatile的区别？

volatile主要是保证内存的可见性，即变量在寄存器中的内存是不确定的，需要从主存中读取。synchronized主要是解决多个线程访问资源的同步性。
volatile作用于变量，synchronized作用于代码块或者方法。
volatile仅可以保证数据的可见性，不能保证数据的原子性。synchronized可以保证数据的可见性和原子性。
volatile不会造成线程的阻塞，synchronized会造成线程的阻塞。

synchronized和Lock的区别？

Lock是显示锁，需要手动开启和关闭。synchronized是隐士锁，可以自动释放锁。
Lock是一个接口，是JDK实现的。synchronized是一个关键字，是依赖JVM实现的。
Lock是可中断锁，synchronized是不可中断锁，需要线程执行完才能释放锁。
发生异常时，Lock不会主动释放占有的锁，必须通过unlock进行手动释放，因此可能引发死锁。synchronized在发生异常时会自动释放占有的锁，不会出现死锁的情况。
Lock可以判断锁的状态，synchronized不可以判断锁的状态。
Lock实现锁的类型是可重入锁、公平锁。synchronized实现锁的类型是可重入锁，非公平锁。
ock是可中断锁，synchronized是不可中断锁，需要线程执行完才能释放锁。
发生异常时，Lock不会主动释放占有的锁，必须通过unlock进行手动释放，因此可能引发死锁。synchronized在发生异常时会自动释放占有的锁，不会出现死锁的情况。
Lock可以判断锁的状态，synchronized不可以判断锁的状态。
Lock实现锁的类型是可重入锁、公平锁。synchronized实现锁的类型是可重入锁，非公平锁。
Lock适用于大量同步代码块的场景，synchronized适用于少量同步代码块的场景。