阅读 1415

《提升能力,涨薪可待》—Java并发之Synchronized

欢迎关注公众号【Ccww技术博客】,原创技术文章第一时间推出

往期文章:

Synchronized简介

线程安全是并发编程中的至关重要的,造成线程安全问题的主要原因:

  • 临界资源, 存在共享数据
  • 多线程共同操作共享数据

而Java关键字synchronized,为多线程场景下防止临界资源访问冲突提供支持, 可以保证在同一时刻,只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块操作共享数据。

即当要执行代码使用synchronized关键字时,它将检查锁是否可用,然后获取锁,执行代码,最后再释放锁。而synchronized有三种使用方式:

  • synchronized方法: synchronized当前实例对象,进入同步代码前要获得当前实例的锁
  • synchronized静态方法: synchronized当前类的class对象 ,进入同步代码前要获得当前类对象的锁
  • synchronized代码块:synchronized括号里面的对象,对给定对象加锁,进入同步代码库前要获得给定对象的锁

Synchronized方法

首先看一下没有使用synchronized关键字,如下:

public class ThreadNoSynchronizedTest {

    public void method1(){
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("method1");
    }

    public void method2() {		
        System.out.println("method2");
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadNoSynchronizedTest  tnst= new ThreadNoSynchronizedTest();

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {			
            @Override
            public void run() {
                tnst.method1();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {			
            @Override
            public void run() {
                tnst.method2();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
复制代码

在上述的代码中,method1比method2多了2s的延时,因此在t1和t2线程同时执行的情况下,执行结果:

method2
method1

当method1和method2使用了synchronized关键字后,代码如下:

public synchronized void method1(){
	try {
		Thread.sleep(2000);
	} catch (InterruptedException e) {
		e.printStackTrace();
	}
	System.out.println("method1");
}
	
public synchronized void method2() {		
	System.out.println("method2");
}
复制代码

此时,由于method1占用了锁,因此method2必须要等待method1执行完之后才能执行,执行结果:

method1
method2

因此synchronized锁定是当前的对象,当前对象的synchronized方法在同一时间只能执行其中的一个,另外的synchronized方法需挂起等待,但不影响非synchronized方法的执行。下面的synchronized方法和synchronized代码块(把整个方法synchronized(this)包围起来)等价的。

public synchronized void method1(){
		
}

public  void method2() {		
	synchronized(this){	
	}
}
复制代码

Synchronized静态方法

synchronized静态方法是作用在整个类上面的方法,相当于把类的class作为锁,示例代码如下:

public class TreadSynchronizedTest {

    public static synchronized void method1(){
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("method1");
    }

    public static void method2() {		
        synchronized(TreadTest.class){
            System.out.println("method2");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {		
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {			
            @Override
            public void run() {
                TreadSynchronizedTest.method1();
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {			
            @Override
            public void run() {
                TreadSynchronizedTest.method2();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }

}
复制代码

由于将class作为锁,因此method1和method2存在着竞争关系,method2中synchronized(ThreadTest.class)等同于在method2的声明时void前面直接加上synchronized。上述代码的执行结果仍然是先打印出method1的结果:

method1
method2

Synchronized代码块

synchronized代码块应用于处理临界资源的代码块中,不需要访问临界资源的代码可以不用去竞争资源,减少了资源间的竞争,提高代码性能。示例代码如下:

public class TreadSynchronizedTest {

    private Object obj = new Object();

    public void method1(){
        System.out.println("method1 start");
    	synchronized(obj){
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("method1 end");
         }
    }

    public void method2() {
        System.out.println("method2 start");


        // 延时10ms,让method1线获取到锁obj
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        synchronized(obj){
            System.out.println("method2 end");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TreadSynchronizedTest tst = new TreadSynchronizedTest();
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {			
            @Override
            public void run() {
                tst.method1();
            }
        });

    	Thread t2 = new Thread(new Runnable() {			
            @Override
            public void run() {
                tst.method2();
              }
    	});
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
复制代码

执行结果如下:

method1 start
method2 start
method1 end
method2 end

上述代码中,执行method2方法,先打印出 method2 start, 之后执行同步块,由于此时obj被method1获取到,method2只能等到method1执行完成后再执行,因此先打印method1 end,然后在打印method2 end。

Synchronized原理

synchronized 是JVM实现的一种锁,其中锁的获取和释放分别是monitorenter 和 monitorexit 指令。

加了 synchronized 关键字的代码段,生成的字节码文件会多出 monitorenter 和 monitorexit 两条指令,并且会多一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志位,

当方法调用时,调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置,如果设置了,执行线程将先获取monitor,获取成功之后才能执行方法体,方法执行完后再释放monitor。

在方法执行期间,其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。其实本质上没有区别,只是方法的同步是一种隐式的方式来实现,无需通过字节码来完成。

在Java1.6之后,sychronized在实现上分为了偏向锁、轻量级锁和重量级锁,其中偏向锁在 java1.6 是默认开启的,轻量级锁在多线程竞争的情况下会膨胀成重量级锁,有关锁的数据都保存在对象头中。

  • 偏向锁:在只有一个线程访问同步块时使用,通过CAS操作获取锁
  • 轻量级锁:当存在多个线程交替访问同步快,偏向锁就会升级为轻量级锁。当线程获取轻量级锁失败,说明存在着竞争,轻量级锁会膨胀成重量级锁,当前线程会通过自旋(通过CAS操作不断获取锁),后面的其他获取锁的线程则直接进入阻塞状态。
  • 重量级锁:锁获取失败则线程直接阻塞,因此会有线程上下文的切换,性能最差。

锁优化-适应性自旋(Adaptive Spinning)

从轻量级锁获取的流程中我们知道,当线程在获取轻量级锁的过程中执行CAS操作失败时,是要通过自旋来获取重量级锁的。问题在于,自旋是需要消耗CPU的,如果一直获取不到锁的话,那该线程就一直处在自旋状态,白白浪费CPU资源。

其中解决这个问题最简单的办法就是指定自旋的次数,例如让其循环10次,如果还没获取到锁就进入阻塞状态。但是JDK采用了更聪明的方式——适应性自旋,简单来说就是线程如果自旋成功了,则下次自旋的次数会更多,如果自旋失败了,则自旋的次数就会减少。

锁优化-锁粗化(Lock Coarsening)

锁粗化的概念应该比较好理解,就是将多次连接在一起的加锁、解锁操作合并为一次,将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。举个例子:

public class StringBufferTest {
     StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
     public void append(){
         stringBuffer.append("a");
         stringBuffer.append("b");
         stringBuffer.append("c");
     }
 }
复制代码

这里每次调用stringBuffer.append方法都需要加锁和解锁,如果虚拟机检测到有一系列连串的对同一个对象加锁和解锁操作,就会将其合并成一次范围更大的加锁和解锁操作,即在第一次append方法时进行加锁,最后一次append方法结束后进行解锁。

锁优化-锁消除(Lock Elimination)

锁消除即删除不必要的加锁操作。根据代码逃逸技术,如果判断到一段代码中,堆上的数据不会逃逸出当前线程,那么可以认为这段代码是线程安全的,不必要加锁。看下面这段程序:

public class SynchronizedTest02 {

     public static void main(String[] args) {
         SynchronizedTest02 test02 = new SynchronizedTest02();        
         for (int i = 0; i < 10000; i++) {
             i++;
         }
         long start = System.currentTimeMillis();
         for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
             test02.append("abc", "def");
         }
         System.out.println("Time=" + (System.currentTimeMillis() - start));
     }

     public void append(String str1, String str2) {
         StringBuffer sb = new StringBuffer();
         sb.append(str1).append(str2);
     }
}
复制代码

虽然StringBuffer的append是一个同步方法,但是这段程序中的StringBuffer属于一个局部变量,并且不会从该方法中逃逸出去,所以其实这过程是线程安全的,可以将锁消除。

Sychronized缺点

Sychronized会让没有得到锁的资源进入Block状态,争夺到资源之后又转为Running状态,这个过程涉及到操作系统用户模式和内核模式的切换,代价比较高。

Java1.6为 synchronized 做了优化,增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度,但是在最终转变为重量级锁之后,性能仍然较低。

各位看官还可以吗?喜欢的话,动动手指点个💗,点个关注呗!!谢谢支持!

欢迎关注公众号【Ccww技术博客】,原创技术文章第一时间推出

关注下面的标签,发现更多相似文章
评论