synchronized关键字使用方法

导读：

在具体的开发过程中，我们或多或少的遇见或使用过synchronized关键字来修饰方法、代码块。。。至今我都不是太会使用这个关键字，所以从网上搜集的各种资料，整理了一下，供学习研究使用。

首先我们要清楚synchronized使用的地方：

1.从宏观上来说，他用来修饰方法和代码块-------也就是我们所说的----同步方法和同步代码快。

2.从微观上（细分）来说，synchronized可作用于：instance变量，object reference （对象引用），static 函数，class liternal（类名称字面常量）。

我们必须要明确几点：

a.无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，他取得的锁都是对象，而不是把一段代码或函数作为锁-------而且同步方法很可能还会被其他线程的对象访问。

b.每个对象只有一个锁（lock）与之相关联

c.实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无所谓的同步控制

下面总结一下synchronized的使用：假设P1、 P2是同一个类的不同对象

1.当作函数修饰符（作用域方法）

①

public synchronized void method（）｛

//。。。。。。业务逻辑

｝

那么这里 锁住的对象是谁呢？-----锁定的是调用这个同步方法对象。

理解为：当一个对象P1在不同的线程中执行这个方法时，他们之间会形成互斥，达到同步的效果。但是这个对象所属类的另一个对象P2，却能够任意的调用这个被加了synchronized关键字的方法。

②

public void method(){

synchronized(this){

//业务逻辑操作

}

}

this指的是调用这个方法的对象，如P1。可见，同步方法实质是将synchronized作用于object reference。那个拿到了P1对象锁的线程，才能够调用P1的同步方法，而对P2说，P1这个锁和他毫不相干。

①②这两个方法效果等同。

2.同步块（作用于实例对象）

public void method（SomeObject so）｛

synchronized（so）｛

//业务逻辑

｝

｝

这里的锁：so这个对象，谁拿到这个锁谁就能够运行他所控制的那段代码。当有一个明确的对象作为锁时，他能像上面那样写，但当没有明确的对象作为锁时，只是想让一段代码同步，能够创建一个特别的instance变量（他得是一个变量）来充当锁：

class Foo implements Runnable｛

private byte [] lock = new byte[0]; //特别的instance变量

public void method(){

synchronized(lock){

//业务逻辑

}

}

｝

注：零长度的byte数组对象创建起来将比任何对像都经济---查看编译后的字节码：生成零长度的byte[]对象只需3行操作码，Object lock = new Object（）需要7行操作码

3.作用与static函数

class Foo｛

public synchronized
static void method（）｛//同步的static函数

//........

｝

public void method2（）｛

synchronized（Foo.class）// class liternal(类名称字面常量)

｝

｝

static：全局锁，因为class数据存在与永久带

method2（）方法是把class liternal作为锁的情况和同步的static函数产生的额效果是相同的，他取得的锁很特变，是当前调用这个方法的对象所在的类class，而不再是由这个class产生的某个具体对象了。

在【Effectiive java】中，Foo.class和P1.getClass（）用于同步锁是不同的，不能用P1.getClass（）来达到锁这个class的目的。

能够推断：假设一个类中定义了一个synchronized的static函数A，也定义了一个synchronized的instance函数B，那么这个类的同一对象在多线程中分别访问A、B方法，不会构成同步，因为A方法的锁是Obj所属的那个class，B方法的锁是Obj所属的这个对象。

总结：

一、搞清楚synchronized锁定的是哪个对象，能帮助我们设计更安全的多线程程式

二、 有一些技巧，让我们对共享资源的同步访问更加安全

1.定义private的instance变量+他的get方法啊，而不要定义public/protected的instance变量。假如将变量定义为public，对象在外界能够绕过同步方法的控制而直接取得他，并改变他。这也是javabean的标准实现方式之一。

2.假如instance变量是个对象，如数组或ArrayList什么的，那么上述方法仍然不安全，因为当外界对象通过get方法拿到这个instance对象的引用后，又将其指向另一个对象，那么这个private变量也就变了，这样会很危险。这时就需要将get方法也加上synchronized同步，并且，只返回这个private对象的clone（），这样，调用端得到的就是对象的副本引用了。

/********************************************************************************************************************************************************************/

以下为复制的内容

在 HotSpot JVM实现中，锁有个专门的名字：对象监视器。

1. 线程状态及状态转换

当多个线程同时请求某个对象监视器时，对象监视器会设置几种状态用来区分请求的线程：

Contention List：所有请求锁的线程将被首先放置到该竞争队列

Entry List：Contention List中那些有资格成为候选人的线程被移到Entry List

Wait Set：那些调用wait方法被阻塞的线程被放置到Wait Set

OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程正在竞争锁，该线程称为OnDeck

Owner：获得锁的线程称为Owner

!Owner：释放锁的线程

下图反映了个状态转换关系：



新请求锁的线程将首先被加入到ConetentionList中，当某个拥有锁的线程（Owner状态）调用unlock之后，如果发现 EntryList为空则从ContentionList中移动线程到EntryList，下面说明下ContentionList和EntryList 的实现方式：

1.1 ContentionList 虚拟队列
ContentionList并不是一个真正的Queue，而只是一个虚拟队列，原因在于ContentionList是由Node及其next指 针逻辑构成，并不存在一个Queue的数据结构。ContentionList是一个后进先出（LIFO）的队列，每次新加入Node时都会在队头进行， 通过CAS改变第一个节点的的指针为新增节点，同时设置新增节点的next指向后续节点，而取得操作则发生在队尾。显然，该结构其实是个Lock- Free的队列。

因为只有Owner线程才能从队尾取元素，也即线程出列操作无争用，当然也就避免了CAS的ABA问题。



1.2 EntryList

EntryList与ContentionList逻辑上同属等待队列，ContentionList会被线程并发访问，为了降低对 ContentionList队尾的争用，而建立EntryList。Owner线程在unlock时会从ContentionList中迁移线程到 EntryList，并会指定EntryList中的某个线程（一般为Head）为Ready（OnDeck）线程。Owner线程并不是把锁传递给 OnDeck线程，只是把竞争锁的权利交给OnDeck，OnDeck线程需要重新竞争锁。这样做虽然牺牲了一定的公平性，但极大的提高了整体吞吐量，在
Hotspot中把OnDeck的选择行为称之为“竞争切换”。

OnDeck线程获得锁后即变为owner线程，无法获得锁则会依然留在EntryList中，考虑到公平性，在EntryList中的位置不 发生变化（依然在队头）。如果Owner线程被wait方法阻塞，则转移到WaitSet队列；如果在某个时刻被notify/notifyAll唤醒， 则再次转移到EntryList。

2. 自旋锁

那些处于ContetionList、EntryList、WaitSet中的线程均处于阻塞状态，阻塞操作由操作系统完成（在Linxu下通 过pthread_mutex_lock函数）。线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响 锁的性能

缓解上述问题的办法便是自旋，其原理是：当发生争用时，若Owner线程能在很短的时间内释放锁，则那些正在争用线程可以稍微等一等（自旋）， 在Owner线程释放锁后，争用线程可能会立即得到锁，从而避免了系统阻塞。但Owner运行的时间可能会超出了临界值，争用线程自旋一段时间后还是无法 获得锁，这时争用线程则会停止自旋进入阻塞状态（后退）。基本思路就是自旋，不成功再阻塞，尽量降低阻塞的可能性，这对那些执行时间很短的代码块来说有非 常重要的性能提高。自旋锁有个更贴切的名字：自旋-指数后退锁，也即复合锁。很显然，自旋在多处理器上才有意义。

还有个问题是，线程自旋时做些啥？其实啥都不做，可以执行几次for循环，可以执行几条空的汇编指令，目的是占着CPU不放，等待获取锁的机 会。所以说，自旋是把双刃剑，如果旋的时间过长会影响整体性能，时间过短又达不到延迟阻塞的目的。显然，自旋的周期选择显得非常重要，但这与操作系统、硬 件体系、系统的负载等诸多场景相关，很难选择，如果选择不当，不但性能得不到提高，可能还会下降，因此大家普遍认为自旋锁不具有扩展性。

自旋优化策略

对自旋锁周期的选择上，HotSpot认为最佳时间应是一个线程上下文切换的时间，但目前并没有做到。经过调查，目前只是通过汇编暂停了几个CPU周期，除了自旋周期选择，HotSpot还进行许多其他的自旋优化策略，具体如下：

如果平均负载小于CPUs则一直自旋

如果有超过(CPUs/2)个线程正在自旋，则后来线程直接阻塞

如果正在自旋的线程发现Owner发生了变化则延迟自旋时间（自旋计数）或进入阻塞

如果CPU处于节电模式则停止自旋

自旋时间的最坏情况是CPU的存储延迟（CPU A存储了一个数据，到CPU B得知这个数据直接的时间差）

自旋时会适当放弃线程优先级之间的差异

那synchronized实现何时使用了自旋锁？答案是在线程进入ContentionList时，也即第一步操作前。线程在进入等待队列时 首先进行自旋尝试获得锁，如果不成功再进入等待队列。这对那些已经在等待队列中的线程来说，稍微显得不公平。还有一个不公平的地方是自旋线程可能会抢占了 Ready线程的锁。自旋锁由每个监视对象维护，每个监视对象一个。

3. JVM1.6偏向锁

在JVM1.6中引入了偏向锁，偏向锁主要解决无竞争下的锁性能问题，首先我们看下无竞争下锁存在什么问题：

现在几乎所有的锁都是可重入的，也即已经获得锁的线程可以多次锁住/解锁监视对象，按照之前的HotSpot设计，每次加锁/解锁都会涉及到一些CAS操 作（比如对等待队列的CAS操作），CAS操作会延迟本地调用，因此偏向锁的想法是一旦线程第一次获得了监视对象，之后让监视对象“偏向”这个 线程，之后的多次调用则可以避免CAS操作，说白了就是置个变量，如果发现为true则无需再走各种加锁/解锁流程。但还有很多概念需要解释、很多引入的 问题需要解决：

3.1 CAS及SMP架构

CAS为什么会引入本地延迟？这要从SMP（对称多处理器）架构说起，下图大概表明了SMP的结构：



其意思是所有的CPU会共享一条系统总线（BUS），靠此总线连接主存。每个核都有自己的一级缓存，各核相对于BUS对称分布，因此这种结构称为“对称多处理器”。

而CAS的全称为Compare-And-Swap，是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU比较后原子地更新某个位置的值，经过调查发现， 其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用，那些AtomicInteger类便是使用了这些封装后的 接口。

Core1和Core2可能会同时把主存中某个位置的值Load到自己的L1 Cache中，当Core1在自己的L1 Cache中修改这个位置的值时，会通过总线，使Core2中L1 Cache对应的值“失效”，而Core2一旦发现自己L1 Cache中的值失效（称为Cache命中缺失）则会通过总线从内存中加载该地址最新的值，大家通过总线的来回通信称为“Cache一致性流量”，因为总 线被设计为固定的“通信能力”，如果Cache一致性流量过大，总线将成为瓶颈。而当Core1和Core2中的值再次一致时，称为“Cache一致
性”，从这个层面来说，锁设计的终极目标便是减少Cache一致性流量。

而CAS恰好会导致Cache一致性流量，如果有很多线程都共享同一个对象，当某个Core CAS成功时必然会引起总线风暴，这就是所谓的本地延迟，本质上偏向锁就是为了消除CAS，降低Cache一致性流量。

Cache一致性：

上面提到Cache一致性，其实是有协议支持的，现在通用的协议是MESI（最早由Intel开始支持），具体参考：http://en.wikipedia.org/wiki/MESI_protocol，以后会仔细讲解这部分。

Cache一致性流量的例外情况：

其实也不是所有的CAS都会导致总线风暴，这跟Cache一致性协议有关，具体参考：http://blogs.oracle.com/dave/entry/biased_locking_in_hotspot

NUMA(Non Uniform Memory Access Achitecture）架构：

与SMP对应还有非对称多处理器架构，现在主要应用在一些高端处理器上，主要特点是没有总线，没有公用主存，每个Core有自己的内存，针对这种结构此处不做讨论。

3.2 偏向解除

偏向锁引入的一个重要问题是，在多争用的场景下，如果另外一个线程争用偏向对象，拥有者需要释放偏向锁，而释放的过程会带来一些性能开销，但总体说来偏向锁带来的好处还是大于CAS代价的。

4. 总结

关于锁，JVM中还引入了一些其他技术比如锁膨胀等，这些与自旋锁、偏向锁相比影响不是很大，这里就不做介绍。

通过上面的介绍可以看出，synchronized的底层实现主要依靠Lock-Free的队列，基本思路是自旋后阻塞，竞争切换后继续竞争锁，稍微牺牲了公平性，但获得了高吞吐量。

参考网址：http://developer.51cto.com/art/200908/143504.htm
http://www.open-open.com/lib/view/open1352431526366.html