【JavaEE】synchronized 原理

2023-10-27 09:38

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前言
synchronized 的加锁过程
锁的优化操作
- 1. 锁消除
- 2. 锁粗化
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前言

前面我们学习了关于JavaEE多线程方面的锁策略以及 synchronized 分别对应哪些锁策略，并且我们还了解了关于 CAS 操作在某些情境下不需要加锁而避免因竞争锁造成的阻塞等待状态。今天我将为大家分享 synchronized 的加锁过程以及编译器对加锁过程的一些优化操作。

synchronized 的加锁过程

当我们使用 synchronized 进行枷锁的时候，往往不是立即就对该线程进行加锁的，而是需要经过一个无锁 -> 偏向锁 -> 轻量级锁 -> 重量级锁的过程，那么接下来我们来看看这个过程是如何进行的。

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synchronized 在 Java 6 之后进行了优化，引入了无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁四种状态，这四种状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级。

1.无锁 -> 偏向锁

当我们使用 synchronized 进行加锁的时候，并不会立即从无锁的状态转换为加锁的状态的，而是会先处于一个偏向锁的状态，什么叫做偏向锁呢？

偏向锁并不是真正的“加锁”，而是给对象头中做一个“偏向锁的标记”，记录这个锁属于哪个线程。如果后续没有其他线程来竞争该锁,那么就不用进行其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销)；如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了,很容易识别当前申请锁的线程是不是之前记录的线程), 那就取消原来的偏向锁状态, 进入一般的轻量级锁状态。

偏向锁就有点类似于前面我们学习单例模式时候的懒汉模式，就是能不加锁的时候就尽量不加锁，避免不必要的开销。

2. 偏向锁 -> 轻量级锁

当有其他线程开始跟当前线程竞争锁的时候，因为该线程已经在对象头中进行了标记，那么该线程就可以直接获取到这个锁，进入轻量级锁的状态，这个轻量级锁也就是自适应的自旋锁，而这个自旋锁就是由 CAS操作实现的，防止进入内核态操作使线程进入阻塞等待状态。

通过 CAS 检查并更新一块内存 (比如 null => 该线程引用)
如果更新成功, 则认为加锁成功
如果更新失败, 则认为锁被占用, 继续自旋式的等待(并不放弃 CPU)

3. 轻量级锁 -> 重量级锁

如果后面发生锁竞争比较激烈的话，synchronized 就会从轻量级锁转换为重量级锁（挂起等待锁）会使线程进入阻塞等待状态。

执行加锁操作, 先进入内核态.
在内核态判定当前锁是否已经被占用
如果该锁没有占用, 则加锁成功, 并切换回用户态.
如果该锁被占用, 则加锁失败. 此时线程进入锁的等待队列, 挂起. 等待被操作系统唤醒.
经历了一系列的沧海桑田, 这个锁被其他线程释放了, 操作系统也想起了这个挂起的线程, 于是唤醒
这个线程, 尝试重新获取锁

锁的优化操作

锁消除
锁粗化

1. 锁消除

Java 锁消除（Lock Elimination）是 Java 虚拟机（JVM）中的一种优化技术，用于消除不必要的同步锁操作，从而提高程序的性能和并发性。

在 Java 中，synchronized 关键字可以用于实现同步和互斥，以确保多个线程对共享资源的访问的正确性。然而，synchronized 也会引入一定的开销，包括获取锁、执行同步代码块、释放锁等操作的时间成本，以及可能导致线程阻塞和上下文切换的代价。

为了减少 synchronized 带来的开销，JVM 使用了锁消除优化技术。锁消除的基本原理是：如果 JVM 检测到某个同步代码块中不存在共享数据的竞争访问，即该代码块不会被多个线程同时访问，那么 JVM 可以安全地消除该代码块的同步锁操作。

public class Demo2 {    private static int num;    public static void main(String[] args) {        synchronized (Demo2.class) {            for(int i = 0; i < 10; i++) {                num += i;            }            System.out.println(num);        }    }}

在这个例子中，synchronized 代码块中只有一个成员变量 num，并且没有其他线程可以访问到它。因此，JVM 可以安全地消除该代码块的同步锁操作，从而提高程序的性能。

需要注意的是，锁消除只是一种优化技术，不能保证在所有情况下都能消除同步锁操作。此外，如果程序中存在真正的并发竞争访问，那么使用 synchronized 仍然是必要的，以确保数据的正确性和一致性。

锁消除是编译器在编译阶段就进行的操作，而偏向锁则是在代码的运行过程中实现的。

2. 锁粗化

因为进行加锁和解锁都会造成资源的浪费，所以在一些情况下就可以减少加锁和解锁的次数，也就是锁粗化的操作。

锁粗化的基本思路是将多个相邻的同步代码块合并为一个更大的同步代码块，以减少获取和释放锁的次数。这样可以降低同步操作的开销，并减少线程阻塞和上下文切换的可能性。

public class Demo3 {    private static int num;    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        Thread t1 = new Thread(() -> {            for(int i = 0; i < 100; i++) {                synchronized (Demo2.class) {                    num++;                }            }        });        Thread t2 = new Thread(() -> {            for(int i = 0; i < 100; i++) {                synchronized (Demo2.class) {                    num++;                }            }        });        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println(num);    }}

上面这个代码，两个线程中的任务都是循环了100次，但是每次循环都需要进行加锁和解锁的操作，这样会浪费大量的资源，所以这个代码就可以进行锁粗化的优化操作。

public class Demo3 {    private static int num;    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        Thread t1 = new Thread(() -> {            synchronized (Demo2.class) {                for(int i = 0; i < 100; i++) {                    num++;                }            }        });        Thread t2 = new Thread(() -> {            synchronized (Demo2.class) {                for(int i = 0; i < 100; i++) {                    num++;                }            }        });        t1.start();        t2.start();        t1.join();        t2.join();        System.out.println(num);    }}