深入淺出Java多線程(九)：synchronized與鎖

来源:https://www.cnblogs.com/CoderLvJie/p/18009230
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大家好，我是你們的老伙計秀才！今天帶來的是[深入淺出Java多線程]系列的第九篇內容：synchronized與鎖。大家覺得有用請點贊，喜歡請關註！秀才在此謝過大家了！！！ ...


引言

大家好，我是你們的老伙計秀才！今天帶來的是[深入淺出Java多線程]系列的第九篇內容：synchronized與鎖。大家覺得有用請點贊，喜歡請關註！秀才在此謝過大家了！！！

在現代軟體開發中，多線程技術是提升系統性能和併發能力的關鍵手段之一。Java作為主流的編程語言，其內置的多線程機製為開發者提供了豐富的併發控制工具，其中synchronized關鍵字及其背後的鎖機制扮演了至關重要的角色。理解並掌握synchronized的使用原理與特性，有助於我們設計出高效且線程安全的應用程式。

Java中的每個對象都可以充當一把鎖，這意味著任何實例方法或靜態方法可以通過synchronized關鍵字來實現同步控制，從而確保同一時間只有一個線程能訪問臨界資源。例如，一個簡單的實例方法同步：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

在這個例子中，increment方法被synchronized修飾，使得在同一時刻只能有一個線程對count變數進行遞增操作，避免了數據競爭帶來的不一致性問題。

同時，類鎖的概念也是基於對象鎖——類的Class對象同樣可以作為鎖，用於同步類的靜態方法或某一特定對象實例上的代碼塊，如：

public class SharedResource {
    public static synchronized void modifyStaticData() {
        // 修改共用靜態數據
    }
}

這裡，modifyStaticData方法通過類鎖保護了所有實例共用的靜態資源，保證了在多線程環境下的數據安全性。

深入探究Java多線程中的synchronized關鍵字及鎖機制，我們會發現Java虛擬機為了優化鎖的性能，引入了偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖等不同級別的鎖狀態，並且支持鎖的自動升級和降級策略。這些機制能夠根據實際的併發場景動態調整鎖的表現形式，以最小化鎖的獲取和釋放開銷，進而提高系統的併發性能和響應速度。接下來，我們將逐一剖析這些概念和技術細節，以便更全面地理解和運用Java中的鎖機制。

Java鎖基礎

在Java多線程編程中，鎖機制是實現併發控制的核心手段之一。這裡的“鎖”基於對象的概念，任何Java對象都可以充當一把鎖來保護共用資源的訪問，確保同一時間只有一個線程可以執行臨界區代碼。synchronized關鍵字作為Java內置的關鍵同步工具，被廣泛用於實現線程間的互斥操作。

synchronized關鍵字詳解

synchronized關鍵字主要有三種使用形式：

  1. 實例方法鎖定：當synchronized關鍵字修飾實例方法時，它隱式地獲取了當前對象實例作為鎖：

    public class SynchronizedExample {
        private int counter;

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

    在上述代碼中，increment方法被synchronized修飾，意味著每次僅有一個線程能執行該方法內部邏輯，即修改counter變數。

  2. 靜態方法鎖定：如果synchronized修飾的是靜態方法，則鎖對象為類的Class對象，所有實例共用這把鎖：

    public class SynchronizedExample {
        private static int sharedCounter;

        public static synchronized void incrementStatic() {
            sharedCounter++;
        }
    }

    在這個例子中，對incrementStatic方法的訪問將受到類鎖的保護，確保在多線程環境下，對sharedCounter的更新是原子性的。

  3. 代碼塊鎖定：通過synchronized關鍵字包裹一個代碼塊，顯式指定鎖對象：

    public class SynchronizedExample {
        private final Object lock = new Object();

        public void blockLockingMethod() {
            synchronized (lock) {
                // 臨界區代碼
            }
        }

    在這裡，我們創建了一個獨立的對象lock用作鎖，只有獲得了這把鎖的線程才能執行代碼塊內的內容。

synchronized關鍵字保證了其修飾的方法或代碼塊在同一時間只能由單個線程訪問，從而避免了因多個線程同時修改數據導致的數據不一致問題，有效地實現了多線程環境下的同步控制。隨著JVM對鎖性能優化的不斷深入，還引入了偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖等不同級別的鎖狀態，使得Java多線程同步更加靈活高效。

synchronized原理

在Java多線程編程中，synchronized關鍵字所實現的同步機制深入底層，與JVM內部對象頭結構密切相關。每個Java對象都擁有一個對象頭(Object Header)，它是記憶體中存放對象元數據的地方，包含了對象的Mark Word區域，這個區域用於存儲對象的hashCode、GC分代年齡以及鎖狀態等信息。

Java對象頭與鎖狀態

對象頭結構：非數組類型的Java對象，其對象頭占用2個機器字寬，對於32位系統是32位，64位系統則是64位。Mark Word中的一部分空間被用來記錄鎖的狀態，包括無鎖、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖四種狀態。

長度 內容 作用
32/64bit Mark Word 存儲對象的hashCode或鎖信息等
32/64bit Class Metadata Address 存儲到對象類型數據的指針
32/64bit Array length 數組的長度（如果是數組）

這裡著重關註一些Mark Word 的內容：

鎖狀態 29bit或者61bit 第1bit是否偏向鎖 第2bit鎖標誌位
無鎖 0 01
偏向鎖 線程ID 1 01
輕量級鎖 指向棧中鎖記錄的指針 此時第1bit不用於標識偏向鎖 00
重量級鎖 指向互斥量（重量級鎖）的指針 此時第1bit不用於標識偏向鎖 10

鎖狀態轉換：

  • 無鎖狀態：沒有任何線程持有該對象鎖，所有線程都可以嘗試修改資源。
  • 偏向鎖：當一個線程首次獲得鎖時，會將當前線程ID寫入對象頭的Mark Word中，後續進入同步代碼塊時只需檢查是否為當前線程持有即可快速獲取鎖。例如，若只有一個線程長期訪問某一對象，則可以避免不必要的CAS操作和自旋消耗。
class BiasedLockExample {
    private int count;

    public void increment() {
        synchronized (this) {
            count++;
        }
    }
}

在上述例子中，如果increment方法僅由一個線程執行，那麼JVM可能會將對象標記為偏向鎖，從而提高效率。

  • 輕量級鎖：當存在多個線程競爭同一鎖，但實際發生鎖競爭的概率較小的情況下，JVM使用輕量級鎖來避免頻繁的線程阻塞和喚醒開銷。輕量級鎖通過CAS操作試圖將當前線程棧中的鎖記錄地址替換到對象頭的Mark Word中，如失敗則表明存在鎖競爭，轉而升級為自旋或重量級鎖。
  • 重量級鎖：當鎖競爭激烈時，輕量級鎖無法滿足需求，就會升級為依賴於操作系統的互斥量（mutex）實現的重量級鎖。此時線程將被掛起，直到鎖釋放後重新調度，降低了CPU的利用率但確保了線程間互斥性。

Java虛擬機通過對象頭的Mark Word動態調整鎖狀態以適應不同場景下的併發控制需求，實現了從偏向鎖、輕量級鎖到重量級鎖的平滑過渡，有效提升了多線程環境下程式的性能表現。通過靈活運用和理解這些鎖狀態及其背後的原理，開發者能夠更好地優化多線程應用中的同步邏輯。

Java鎖升級機制

在Java多線程同步中，synchronized關鍵字實現的鎖具有動態升級的能力，從偏向鎖到輕量級鎖再到重量級鎖，根據競爭情況自動調整以優化性能。

偏向鎖

偏向鎖是為瞭解決大多數情況下只有一個線程頻繁獲得鎖的情況。當一個線程首次獲取對象鎖時，JVM會將其設置為偏向鎖，並將該線程ID記錄在對象頭的Mark Word中。後續該線程再次進入同步代碼塊時，只需簡單地驗證Mark Word中的線程ID是否與當前線程一致即可快速獲取鎖。例如：

public class BiasedLockExample {
    private int sharedResource;

    public void access() {
        synchronized (this) {
            // 僅有一個線程長期訪問此方法時，偏向鎖生效
            sharedResource++;
        }
    }
}

如果其他線程嘗試獲取已被偏向的鎖，系統會檢查偏向鎖是否有效併進行撤銷操作，通過CAS嘗試替換Mark Word的內容。若失敗，則表明存在鎖競爭，此時偏向鎖升級至輕量級鎖。 其操作流程如下圖：

下圖總結了偏向鎖的獲得和撤銷流程：

輕量級鎖

輕量級鎖主要應用於多個線程間交替訪問同一對象但不存在大量持續競爭的場景。當線程試圖獲取鎖時，它首先會在自己的棧幀中創建一個用於存儲鎖記錄的空間（Displaced Mark Word），然後通過CAS操作嘗試將對象頭的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。成功則表示獲得鎖；否則，線程開始自旋（迴圈嘗試獲取鎖）。

public class LightweightLockExample {
    private int sharedResource;

    public void access() {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            // 若多個線程短暫交替訪問此方法，輕量級鎖生效
            sharedResource++;
        }
    }
}

自旋次數並非固定不變，而是採用了適應性自旋策略，即根據歷史成功率動態調整自旋次數。如果經過若幹次自旋後仍未能獲得鎖，則輕量級鎖升級為重量級鎖。 輕量鎖操作流程如下：

重量級鎖

重量級鎖依賴於操作系統的互斥量（mutex）來實現線程間的互斥控制。當鎖競爭激烈，輕量級鎖無法滿足需求時，鎖狀態會轉換為重量級鎖。這時，請求鎖的線程會被掛起並放入等待隊列中，直至持有鎖的線程釋放鎖資源。

public class HeavyweightLockExample {
    private static final Object lock = new Object();

    public void concurrentAccess() {
        synchronized (lock) {
            // 若大量併發線程同時訪問此方法，可能導致鎖升級為重量級鎖
            // 線程將被操作系統調度器掛起和喚醒
            performHeavyOperation();
        }
    }

    private void performHeavyOperation() {
        // 執行耗時較長的操作...
    }
}

重量級鎖雖然會導致線程阻塞及上下文切換，但它確保了在高度競爭環境下的公平性和線程安全。當調用wait()或notify()方法時，即使原本是輕量級或偏向鎖，也會先膨脹成重量級鎖，以便正確管理線程的阻塞和喚醒狀態。

總結來說，Java鎖的升級機制是一種根據實際運行狀況動態調整同步成本的技術手段，使得在多種併發場景下都能儘可能保持高效率和線程安全性。

鎖對比與選擇

在Java多線程同步中，有三種主要的鎖類型：偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。每種鎖都有其特定的適用場景及性能特性。

偏向鎖

  • 優點：當只有一個線程長期獨占對象鎖時，偏向鎖幾乎無額外開銷，獲取和釋放鎖的速度接近非同步方法調用。
  • 缺點：當存在鎖競爭或者程式執行過程中鎖的所有者發生變化時，需要撤銷偏向鎖並升級為更高級別的鎖，這個過程會產生額外的系統開銷。
  • 適用場景：適用於大部分時間只由一個線程訪問同步塊的場合。

案例：

public class BiasedLockExample {
    private int sharedResource;

    public void exclusiveAccess() {
        synchronized (this) {
            // 若只有主線程頻繁訪問此方法，則偏向鎖效率高
            sharedResource++;
        }
    }
}

輕量級鎖

  • 優點：相比於重量級鎖，輕量級鎖通過自旋避免了線程上下文切換帶來的開銷，在沒有其他線程競爭的情況下能快速獲得鎖，提高了程式響應速度。
  • 缺點：如果多個線程同時爭奪鎖，輕量級鎖會導致較多的CAS操作以及可能的長時間自旋等待，反而浪費CPU資源。
  • 適用場景：適用於線程間對鎖的競爭不激烈且鎖持有時間較短的情況。

案例：

public class LightweightLockExample {
    private final Object lock = new Object();

    public void concurrentAccess() {
        synchronized (lock) {
            // 若併發線程交替短暫持有鎖，輕量級鎖效果好
            processData();
        }
    }

    private void processData() {
        // 執行一些快速計算或短期持有的共用資源訪問...
    }
}

重量級鎖

  • 優點：確保了線程間的互斥性和公平性，不會因自旋消耗過多CPU資源，阻塞未獲得鎖的線程，保證了系統的穩定性。
  • 缺點：獲取和釋放鎖涉及操作系統層面的信號量操作，導致較大的上下文切換開銷，因此在高併發、鎖競爭激烈的場景下性能較低。
  • 適用場景：適用於高度競爭性的環境，即大量併發線程同時請求同一鎖資源的情況。

案例：

public class HeavyweightLockExample {
    private static final Object LOCK = new Object();

    public void criticalSection() {
        synchronized (LOCK) {
            
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