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synchronized

Dec 14, 2023, 7 min read

synchronized

Java 中对于锁的一种实现方法，可用于修饰方法、代码块。synchronized 理论上可解决所有的三大并发问题：原子性、可见性、有序性。

synchronized 提供的是互斥锁，也是可重入锁，一个线程可以多次获取一个锁。

class X {
  // 修饰非静态方法
  synchronized void foo() {
    // 临界区
  }
  // 修饰静态方法
  synchronized static void bar() {
    // 临界区
  }
  // 修饰代码块
  Object obj = new Object()；
  void baz() {
    synchronized(obj) {
      // 临界区
    }
  }
}

加锁对象：

  • 当修饰静态方法的时候，synchronized 锁定的是当前类的 Class 对象
  • 当修饰非静态方法的时候，锁定的是当前的实例对象 this

不需要synchronized的原子操作：

  • 对基本类型赋值
  • 对引用类型赋值

JDK 1.6 synchronized 锁升级

synchronized 是基于操作系统底层实现的，在使用过程中频繁地切换用户态和内核态，增加了性能开销。

为提升性能，在 JDK 1.6 中引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁，减少锁竞争时带来的上下文开销。同时借助 JDK 1.6 中提供的对象头，实现了锁升级的功能。

在 JDK 1.6 的 JVM 中，对象实例在堆内存中被分为三部分：对象头、实例数据、对齐填充。其中，对象头包括以下几类信息：

  • Mark Word
  • 指向类的指针
  • 数组长度（可选）

Mark Word中记录了对象与锁的相关信息，JDK1.6需要依靠Mark Word中记录的锁标志位和是否偏向锁标志位实现锁升级。

偏向锁

偏向锁适用场景：一个线程多次获取同一个锁。 当加锁时，首先锁会变为偏向锁，在锁对象的对象头中记录抢到锁的线程 ID。

当该线程再次申请偏向锁时，检查线程 ID 通过，就不会进行加锁和解锁的操作。如果线程不一致，检查原线程是否存活：

  • 原线程不存活：取消原偏向锁，创建一个新偏向锁指向新线程
  • 原线程存活：检查原线程栈帧中的信息
    • 原线程还需持有锁：暂停原线程（Stop The World），撤销偏向锁，升级为轻量级锁
    • 原线程不需要持有锁：取消原偏向锁，创建一个新偏向锁指向新线程

轻量级锁

轻量级锁的适用场景：线程交替执行同步块，绝大部分的锁在整个同步周期内都不存在长时间的竞争。

当偏向锁升级为轻量级的锁的时候

  1. 将原对象头的 Mark Word 信息复制一份到栈帧中
  2. Mark Word 指向栈帧中的 Mark Word 信息地址。 这样做的主要目的是为了保留现场。

在线程1复制对象头 Mark Word 的同时（CAS之前，也就是步骤2之前），线程2也准备获取锁，也复制了对象头 Mark Word。在线程2进行 CAS 时，发现线程1已经把对象头换了，线程2的 CAS 失败，线程2会尝试使用自旋锁来等待线程1释放锁。

当自旋锁循环达到一定次数后，轻量级锁会升级会重量级锁。 使用自旋锁的目的：避免线程马上被阻塞，影响性能。

轻量级锁解锁时，会使用 CAS 将之前复制在栈桢中的 Displaced Mard Word 替换回 Mark Word 中。如果替换成功，则说明整个过程都成功执行，期间没有其他线程访问同步代码块。

重量级锁

在重量级锁下，所有获取锁失败的线程都会进入 Monitor，进入阻塞队列。

锁粗化

把多个锁请求合并成一个，降低锁请求、同步、释放带来的性能释放。

案例一：

public void doSomethingMethod() {
    synchronized(lock) {
        //do some thing
    }
    //这是还有一些代码，做其它不需要同步的工作，但能很快执行完毕
    synchronized(lock) {
        //do other thing
    }
}
 
// 锁粗化：
public void doSomethingMethod() {
    //进行锁粗化：整合成一次锁请求、同步、释放
    synchronized(lock) { 
       //do some thing 
       //做其它不需要同步但能很快执行完的工作
        //do other thing
    }
}

案例二：

for(int i = 0; i < size; i++) {
    synchronized(lock) {
    }
}
 
// 锁粗化
synchronized(lock){
    for(int i = 0; i < size; i++) {
    }
}

锁消除

编译器级别的锁优化。虚拟机即时编译器在运行时，对一些在代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行削除。锁削除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持，

需要将 Java 设置为 server 模式，并开启逃逸分析。

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