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Synchronized

synchronized 的简介

synchronized 是 Java 中的关键字，是 利用锁的机制来实现互斥同步的。

synchronized 可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块。

如果不需要 Lock 、ReadWriteLock 所提供的高级同步特性，应该优先考虑使用 synchronized ，理由如下：

  • Java 1.6 以后，synchronized 做了大量的优化，其性能已经与 Lock 、ReadWriteLock 基本上持平。从趋势来看，Java 未来仍将继续优化 synchronized ，而不是 ReentrantLock 。
  • ReentrantLock 是 Oracle JDK 的 API，在其他版本的 JDK 中不一定支持；而 synchronized 是 JVM 的内置特性，所有 JDK 版本都提供支持。

synchronized 的应用

synchronized 有 3 种应用方式：

  • 同步实例方法 - 对于普通同步方法，锁是当前实例对象
  • 同步静态方法 - 对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象
  • 同步代码块 - 对于同步方法块，锁是 synchonized 括号里配置的对象

说明：

类似 Vector、Hashtable 这类同步类，就是使用 synchonized 修饰其重要方法，来保证其线程安全。

事实上，这类同步容器也非绝对的线程安全，当执行迭代器遍历，根据条件删除元素这种场景下，就可能出现线程不安全的情况。此外，Java 1.6 针对 synchonized 进行优化前，由于阻塞，其性能不高。

综上，这类同步容器，在现代 Java 程序中，已经渐渐不用了。

同步实例方法

❌ 错误示例 - 未同步的示例

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public class NoSynchronizedDemo implements Runnable {

    public static final int MAX = 100000;

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        NoSynchronizedDemo instance = new NoSynchronizedDemo();
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
            increase();
        }
    }

    public void increase() {
        count++;
    }

}
// 输出结果: 小于 200000 的随机数字

Java 实例方法同步是同步在拥有该方法的对象上。这样，每个实例其方法同步都同步在不同的对象上，即该方法所属的实例。只有一个线程能够在实例方法同步块中运行。如果有多个实例存在，那么一个线程一次可以在一个实例同步块中执行操作。一个实例一个线程。

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public class SynchronizedDemo implements Runnable {

    private static final int MAX = 100000;

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo instance = new SynchronizedDemo();
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
            increase();
        }
    }

    /**
     * synchronized 修饰普通方法
     */
    public synchronized void increase() {
        count++;
    }

}

【示例】错误示例

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class Account {
  private int balance;
  // 转账
  synchronized void transfer(
      Account target, int amt){
    if (this.balance > amt) {
      this.balance -= amt;
      target.balance += amt;
    }
  }
}

在这段代码中，临界区内有两个资源，分别是转出账户的余额 this.balance 和转入账户的余额 target.balance，并且用的是一把锁 this，符合我们前面提到的，多个资源可以用一把锁来保护，这看上去完全正确呀。真的是这样吗？可惜，这个方案仅仅是看似正确，为什么呢？

问题就出在 this 这把锁上，this 这把锁可以保护自己的余额 this.balance，却保护不了别人的余额 target.balance，就像你不能用自家的锁来保护别人家的资产，也不能用自己的票来保护别人的座位一样。

img

应该保证使用的锁能覆盖所有受保护资源。

【示例】正确姿势

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class Account {
  private Object lock；
  private int balance;
  private Account();
  // 创建 Account 时传入同一个 lock 对象
  public Account(Object lock) {
    this.lock = lock;
  }
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 此处检查所有对象共享的锁
    synchronized(lock) {
      if (this.balance > amt) {
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      }
    }
  }
}

这个办法确实能解决问题，但是有点小瑕疵，它要求在创建 Account 对象的时候必须传入同一个对象，如果创建 Account 对象时，传入的 lock 不是同一个对象，那可就惨了，会出现锁自家门来保护他家资产的荒唐事。在真实的项目场景中，创建 Account 对象的代码很可能分散在多个工程中，传入共享的 lock 真的很难。

上面的方案缺乏实践的可行性，我们需要更好的方案。还真有，就是用 Account.class 作为共享的锁。Account.class 是所有 Account 对象共享的，而且这个对象是 Java 虚拟机在加载 Account 类的时候创建的，所以我们不用担心它的唯一性。使用 Account.class 作为共享的锁，我们就无需在创建 Account 对象时传入了，代码更简单。

【示例】正确姿势

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class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    synchronized(Account.class) {
      if (this.balance > amt) {
        this.balance -= amt;
        target.balance += amt;
      }
    }
  }
}

同步静态方法

静态方法的同步是指同步在该方法所在的类对象上。因为在 JVM 中一个类只能对应一个类对象，所以同时只允许一个线程执行同一个类中的静态同步方法。

对于不同类中的静态同步方法，一个线程可以执行每个类中的静态同步方法而无需等待。不管类中的那个静态同步方法被调用，一个类只能由一个线程同时执行。

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public class SynchronizedDemo2 implements Runnable {

    private static final int MAX = 100000;

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo2 instance = new SynchronizedDemo2();
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
            increase();
        }
    }

    /**
     * synchronized 修饰静态方法
     */
    public synchronized static void increase() {
        count++;
    }

}

同步代码块

有时你不需要同步整个方法，而是同步方法中的一部分。Java 可以对方法的一部分进行同步。

注意 Java 同步块构造器用括号将对象括起来。在上例中，使用了 this，即为调用 add 方法的实例本身。在同步构造器中用括号括起来的对象叫做监视器对象。上述代码使用监视器对象同步，同步实例方法使用调用方法本身的实例作为监视器对象。

一次只有一个线程能够在同步于同一个监视器对象的 Java 方法内执行。

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public class SynchronizedDemo3 implements Runnable {

    private static final int MAX = 100000;

    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo3 instance = new SynchronizedDemo3();
        Thread t1 = new Thread(instance);
        Thread t2 = new Thread(instance);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < MAX; i++) {
            increase();
        }
    }

    /**
     * synchronized 修饰代码块
     */
    public static void increase() {
        synchronized (SynchronizedDemo3.class) {
            count++;
        }
    }

}

synchronized 的原理

synchronized 代码块是由一对 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，Monitor 对象是同步的基本实现单元。在 Java 6 之前，Monitor 的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。

如果 synchronized 明确制定了对象参数，那就是这个对象的引用；如果没有明确指定，那就根据 synchronized 修饰的是实例方法还是静态方法，去对对应的对象实例或 Class 对象来作为锁对象。

synchronized 同步块对同一线程来说是可重入的，不会出现锁死问题。

synchronized 同步块是互斥的，即已进入的线程执行完成前，会阻塞其他试图进入的线程。

【示例】

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public void foo(Object lock) {
    synchronized (lock) {
      lock.hashCode();
    }
  }
  // 上面的 Java 代码将编译为下面的字节码
  public void foo(java.lang.Object);
    Code:
       0: aload_1
       1: dup
       2: astore_2
       3: monitorenter
       4: aload_1
       5: invokevirtual java/lang/Object.hashCode:()I
       8: pop
       9: aload_2
      10: monitorexit
      11: goto          19
      14: astore_3
      15: aload_2
      16: monitorexit
      17: aload_3
      18: athrow
      19: return
    Exception table:
       from    to  target type
           4    11    14   any
          14    17    14   any

同步代码块

synchronized 在修饰同步代码块时，是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的。进入 monitorenter 指令后，线程将持有 Monitor 对象，退出 monitorenter 指令后，线程将释放该 Monitor 对象。

同步方法

synchronized 修饰同步方法时，会设置一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志。当方法调用时，调用指令将会检查该方法是否被设置 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志。如果设置了该标志，执行线程将先持有 Monitor 对象，然后再执行方法。在该方法运行期间，其它线程将无法获取到该 Mointor 对象，当方法执行完成后，再释放该 Monitor 对象。

Monitor

每个对象实例都会有一个 Monitor，Monitor 可以和对象一起创建、销毁。Monitor 是由 ObjectMonitor 实现，而 ObjectMonitor 是由 C++ 的 ObjectMonitor.hpp 文件实现。

当多个线程同时访问一段同步代码时，多个线程会先被存放在 EntryList 集合中，处于 block 状态的线程，都会被加入到该列表。接下来当线程获取到对象的 Monitor 时，Monitor 是依靠底层操作系统的 Mutex Lock 来实现互斥的，线程申请 Mutex 成功，则持有该 Mutex，其它线程将无法获取到该 Mutex。

如果线程调用 wait() 方法，就会释放当前持有的 Mutex，并且该线程会进入 WaitSet 集合中，等待下一次被唤醒。如果当前线程顺利执行完方法，也将释放 Mutex。

synchronized 的优化

Java 1.6 以后，synchronized 做了大量的优化，其性能已经与 Lock 、ReadWriteLock 基本上持平。

Java 对象头

在 JDK1.6 JVM 中，对象实例在堆内存中被分为了三个部分：对象头、实例数据和对齐填充。其中 Java 对象头由 Mark Word、指向类的指针以及数组长度三部分组成。

Mark Word 记录了对象和锁有关的信息。Mark Word 在 64 位 JVM 中的长度是 64bit，我们可以一起看下 64 位 JVM 的存储结构是怎么样的。如下图所示：

img

锁升级功能主要依赖于 Mark Word 中的锁标志位和释放偏向锁标志位，synchronized 同步锁就是从偏向锁开始的，随着竞争越来越激烈，偏向锁升级到轻量级锁，最终升级到重量级锁。

Java 1.6 引入了偏向锁和轻量级锁，从而让 synchronized 拥有了四个状态：

  • 无锁状态（unlocked）
  • 偏向锁状态（biasble）
  • 轻量级锁状态（lightweight locked）
  • 重量级锁状态（inflated）

当 JVM 检测到不同的竞争状况时，会自动切换到适合的锁实现。

当没有竞争出现时，默认会使用偏向锁。JVM 会利用 CAS 操作（compare and swap），在对象头上的 Mark Word 部分设置线程 ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正的互斥锁。这样做的假设是基于在很多应用场景中，大部分对象生命周期中最多会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低无竞争开销。

如果有另外的线程试图锁定某个已经被偏斜过的对象，JVM 就需要撤销（revoke）偏向锁，并切换到轻量级锁实现。轻量级锁依赖 CAS 操作 Mark Word 来试图获取锁，如果重试成功，就使用普通的轻量级锁；否则，进一步升级为重量级锁。

偏向锁

偏向锁的思想是偏向于第一个获取锁对象的线程，这个线程在之后获取该锁就不再需要进行同步操作，甚至连 CAS 操作也不再需要。

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轻量级锁

轻量级锁是相对于传统的重量级锁而言，它 使用 CAS 操作来避免重量级锁使用互斥量的开销。对于绝大部分的锁，在整个同步周期内都是不存在竞争的，因此也就不需要都使用互斥量进行同步，可以先采用 CAS 操作进行同步，如果 CAS 失败了再改用互斥量进行同步。

当尝试获取一个锁对象时，如果锁对象标记为 0|01，说明锁对象的锁未锁定（unlocked）状态。此时虚拟机在当前线程的虚拟机栈中创建 Lock Record，然后使用 CAS 操作将对象的 Mark Word 更新为 Lock Record 指针。如果 CAS 操作成功了，那么线程就获取了该对象上的锁，并且对象的 Mark Word 的锁标记变为 00，表示该对象处于轻量级锁状态。

img

锁消除 / 锁粗化

除了锁升级优化，Java 还使用了编译器对锁进行优化。

锁消除

锁消除是指对于被检测出不可能存在竞争的共享数据的锁进行消除。

JIT 编译器在动态编译同步块的时候，借助了一种被称为逃逸分析的技术，来判断同步块使用的锁对象是否只能够被一个线程访问，而没有被发布到其它线程。

确认是的话，那么 JIT 编译器在编译这个同步块的时候不会生成 synchronized 所表示的锁的申请与释放的机器码，即消除了锁的使用。在 Java7 之后的版本就不需要手动配置了，该操作可以自动实现。

对于一些看起来没有加锁的代码，其实隐式的加了很多锁。例如下面的字符串拼接代码就隐式加了锁：

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public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    return s1 + s2 + s3;
}

String 是一个不可变的类，编译器会对 String 的拼接自动优化。在 Java 1.5 之前，会转化为 StringBuffer 对象的连续 append() 操作：

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public static String concatString(String s1, String s2, String s3) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    sb.append(s3);
    return sb.toString();
}

每个 append() 方法中都有一个同步块。虚拟机观察变量 sb，很快就会发现它的动态作用域被限制在 concatString() 方法内部。也就是说，sb 的所有引用永远不会逃逸到 concatString() 方法之外，其他线程无法访问到它，因此可以进行消除。

锁粗化

锁粗化同理，就是在 JIT 编译器动态编译时，如果发现几个相邻的同步块使用的是同一个锁实例，那么 JIT 编译器将会把这几个同步块合并为一个大的同步块，从而避免一个线程“反复申请、释放同一个锁“所带来的性能开销。

如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，频繁的加锁操作就会导致性能损耗。

上一节的示例代码中连续的 append() 方法就属于这类情况。如果虚拟机探测到由这样的一串零碎的操作都对同一个对象加锁，将会把加锁的范围扩展（粗化）到整个操作序列的外部。对于上一节的示例代码就是扩展到第一个 append() 操作之前直至最后一个 append() 操作之后，这样只需要加锁一次就可以了。

自旋锁

互斥同步进入阻塞状态的开销都很大，应该尽量避免。在许多应用中，共享数据的锁定状态只会持续很短的一段时间。自旋锁的思想是让一个线程在请求一个共享数据的锁时执行忙循环（自旋）一段时间，如果在这段时间内能获得锁，就可以避免进入阻塞状态。

自旋锁虽然能避免进入阻塞状态从而减少开销，但是它需要进行忙循环操作占用 CPU 时间，它只适用于共享数据的锁定状态很短的场景。

在 Java 1.6 中引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的次数不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋次数及锁的拥有者的状态来决定。

synchronized 的误区

示例摘自：《Java 业务开发常见错误 100 例》

synchronized 使用范围不当导致的错误

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public class Interesting {

    volatile int a = 1;
    volatile int b = 1;

    public static void main(String[] args) {
        Interesting interesting = new Interesting();
        new Thread(() -> interesting.add()).start();
        new Thread(() -> interesting.compare()).start();
    }

    public synchronized void add() {
        log.info("add start");
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            a++;
            b++;
        }
        log.info("add done");
    }

    public void compare() {
        log.info("compare start");
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            //a始终等于b吗？
            if (a < b) {
                log.info("a:{},b:{},{}", a, b, a > b);
                //最后的a>b应该始终是false吗？
            }
        }
        log.info("compare done");
    }

}

【输出】

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16:05:25.541 [Thread-0] INFO io.github.dunwu.javacore.concurrent.sync.synchronized使用范围不当 - add start
16:05:25.544 [Thread-0] INFO io.github.dunwu.javacore.concurrent.sync.synchronized使用范围不当 - add done
16:05:25.544 [Thread-1] INFO io.github.dunwu.javacore.concurrent.sync.synchronized使用范围不当 - compare start
16:05:25.544 [Thread-1] INFO io.github.dunwu.javacore.concurrent.sync.synchronized使用范围不当 - compare done

之所以出现这种错乱，是因为两个线程是交错执行 add 和 compare 方法中的业务逻辑，而且这些业务逻辑不是原子性的：a++ 和 b++ 操作中可以穿插在 compare 方法的比较代码中；更需要注意的是，a<b 这种比较操作在字节码层面是加载 a、加载 b 和比较三步，代码虽然是一行但也不是原子性的。

所以，正确的做法应该是，为 add 和 compare 都加上方法锁，确保 add 方法执行时，compare 无法读取 a 和 b：

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public synchronized void add()
public synchronized void compare()

所以，使用锁解决问题之前一定要理清楚，我们要保护的是什么逻辑，多线程执行的情况又是怎样的。

synchronized 保护对象不对导致的错误

加锁前要清楚锁和被保护的对象是不是一个层面的。

静态字段属于类，类级别的锁才能保护；而非静态字段属于类实例，实例级别的锁就可以保护。

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public class synchronized错误使用示例2 {

    public static void main(String[] args) {
        synchronized错误使用示例2 demo = new synchronized错误使用示例2();
        System.out.println(demo.wrong(1000000));
        System.out.println(demo.right(1000000));
    }

    public int wrong(int count) {
        Data.reset();
        IntStream.rangeClosed(1, count).parallel().forEach(i -> new Data().wrong());
        return Data.getCounter();
    }

    public int right(int count) {
        Data.reset();
        IntStream.rangeClosed(1, count).parallel().forEach(i -> new Data().right());
        return Data.getCounter();
    }

    private static class Data {

        @Getter
        private static int counter = 0;
        private static Object locker = new Object();

        public static int reset() {
            counter = 0;
            return counter;
        }

        public synchronized void wrong() {
            counter++;
        }

        public void right() {
            synchronized (locker) {
                counter++;
            }
        }

    }

}

wrong 方法中试图对一个静态对象加对象级别的 synchronized 锁，并不能保证线程安全。

锁粒度导致的问题

要尽可能的缩小加锁的范围，这可以提高并发吞吐。

如果精细化考虑了锁应用范围后，性能还无法满足需求的话，我们就要考虑另一个维度的粒度问题了，即：区分读写场景以及资源的访问冲突，考虑使用悲观方式的锁还是乐观方式的锁。

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public class synchronized锁粒度不当 {

    public static void main(String[] args) {
        Demo demo = new Demo();
        demo.wrong();
        demo.right();
    }

    private static class Demo {

        private List<Integer> data = new ArrayList<>();

        private void slow() {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }

        public int wrong() {
            long begin = System.currentTimeMillis();
            IntStream.rangeClosed(1, 1000).parallel().forEach(i -> {
                synchronized (this) {
                    slow();
                    data.add(i);
                }
            });
            log.info("took:{}", System.currentTimeMillis() - begin);
            return data.size();
        }

        public int right() {
            long begin = System.currentTimeMillis();
            IntStream.rangeClosed(1, 1000).parallel().forEach(i -> {
                slow();
                synchronized (data) {
                    data.add(i);
                }
            });
            log.info("took:{}", System.currentTimeMillis() - begin);
            return data.size();
        }

    }

}

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