Java：Synchronized和lock锁分析

拼搏现实的明天。 2023-02-11 10:16 91阅读 0赞

### Synchronized有什么用 ###

在多线程并发执行过程中，如果对某个公用变量的操作需要做到单线程，那么就需要锁来保证多线程环境下的某个操作是顺序执行。

### 如何实现的 ###

synchronized首先是一个悲观锁，支持的同步方法和同步语句都是使用monitor来实现的。Monitor可以理解为一个同步工具或一种同步机制，通常被描述为一个对象。每一个Java对象就有一把看不见的锁，称为内部锁或者Monitor锁。Monitor是线程私有的数据结构，每一个线程都有一个可用monitor record列表，同时还有一个全局的可用列表。每一个被锁住的对象都会和一个monitor关联，java对象头Mark Word中有指向Monitor对象（存储的指针的指向），叫做 Lock word，Synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时notify/notifyAll/wait等方法会使用到Monitor锁对象，所以必须在同步代码块中使用。

同时monitor中有一个Owner字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。synchronized通过Monitor来实现线程同步，Monitor是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock（互斥锁，也叫重量级锁）来实现的线程同步。  
在执行流程角度来看，每个对象都与一个monitor相关联，当一个线程执行到一个monitor监视下的代码块中的第一个指令时，该线程必须在引用的对象上获得一个锁，这个锁是monitor实现的。在HotSpot虚拟机中，monitor是由ObjectMonitor实现，使用C++编写实现，具体代码在HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件中。

### Synchronized锁范围 ###

*  普通同步方法，锁是当前实例对象  
    同步方法依靠的是方法修饰符上的ACC\_SYNCHRONIZED标记符隐式实现

public synchronized void test(){
            // TODO
        }
    
        public void test(){
            synchronized (this) {
                // TODO
            }
        }

*  静态同步方法，锁是当前类的class对象

public static synchronized void test(){
            // TODO
        }
    
        public static void test(){
            synchronized (TestSynchronized.class) {
                // TODO
            }
        }

*  同步方法块，锁是括号里面的对象  
    同步代码块是使用monitorenter和monitorexit指令显式实现的

### Synchronized：偏向锁、轻量级锁、重量级锁 ###

这三种锁是指锁的状态，并且是针对Synchronized。在Java 5通过引入锁升级的机制来实现高效Synchronized。这三种锁的状态是通过对象监视器在对象头中的字段来表明的。

*  1、偏向锁  
    偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁。线程是不需要触发同步的，减少加锁／解锁的一些CAS操作（比如等待队列的一些CAS操作），降低获取锁的代价。偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。  
    通过-XX:-UseBiasedLocking取消偏向锁，偏向锁原本是一种锁优化，让同一个线程进来不需要同步操作，所以在锁竞争少的情况下有优化作用，但多线程 竞争非常激烈的环境下，因为大量的竞争会导致持有锁的线程不停地切换，锁也很难一直保持偏向模式，此时，使用偏向锁不仅不能优化程序，反而有可能降低程序性能，所以通过此参数取消偏向锁。偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。
 *  2、轻量级锁：标志位为“00”  
    轻量级锁是指当锁是偏向锁的时候，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能，自旋到一定程度，升级到重量级锁。  
    为什么可以减少时间呢？阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态转换需要耗费处理器时间。在许多场景中，同步资源的锁定时间很短，为了这一小段时间去切换线程，线程挂起和恢复现场的花费可能会让系统得不偿失。如果物理机器有多个处理器，能够让两个或以上的线程同时并行执行，我们就可以让后面那个请求锁的线程不放弃CPU的执行时间，看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。而为了让当前线程“稍等一下”，我们需让当前线程进行自旋，如果在自旋完成后前面锁定同步资源的线程已经释放了锁，那么当前线程就可以不必阻塞而是直接获取同步资源，从而避免切换线程的开销。这就是自旋锁。自旋超过了限定次数（默认是10次，可以使用-XX:PreBlockSpin来更改）没有成功获得锁，就应当挂起线程。  
    缺点同样也有：线程占用资源较长，那么自旋就会消耗cpu时间片，这段时间cpu啥都没干，就不停的被你占用自旋。所以后面提出来自适应自旋锁，实际效果中自旋锁很少成功，少量是成功的，轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能
 *  3、重量级锁：标志位为“10”  
    重量级锁是指当锁为轻量级锁的时候，另一个线程虽然是自旋，但自旋不会一直持续下去，当自旋一定次数的时候，还没有获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁。重量级锁会让其他申请的线程进入阻塞，性能降低。

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### 跟lock的区别 ###

两者区别：

*  1.首先synchronized是java内置关键字，在jvm层面，Lock是个java类；
 *  2.synchronized无法判断是否获取锁的状态，Lock可以判断是否获取到锁；
 *  3.synchronized会自动释放锁(a 线程执行完同步代码会释放锁 ；b 线程执行过程中发生异常会释放锁)，Lock需在finally中手工释放锁（unlock()方法释放锁），否则容易造成线程死锁；
 *  4.用synchronized关键字的两个线程1和线程2，如果当前线程1获得锁，线程2线程等待。如果线程1阻塞，线程2则会一直等待下去，而Lock锁就不一定会等待下去，如果尝试获取不到锁，线程可以不用一直等待就结束了；
 *  5.synchronized的锁可重入、不可中断、非公平，而Lock锁可重入、可判断、可公平（两者皆可）
 *  6.Lock锁适合大量同步的代码的同步问题，synchronized锁适合代码少量的同步问题。

### 参考博客 ###

[java对一个对象加锁，锁的是什么东西？][java]  
[美团Java琐事][Java]  
  
[深入分析Synchronized原理(阿里面试题)][Synchronized]  
[深入分析synchronized的实现原理][synchronized]

[2021032018164991.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/2021032018164991.png
[java]: https://www.zhihu.com/question/360394174/answer/932151071
[Java]: https://tech.meituan.com/2018/11/15/java-lock.html
[Synchronized]: https://www.cnblogs.com/aspirant/p/11470858.html
[synchronized]: https://blog.csdn.net/chenssy/article/details/54883355