Synchronized原理刨析与优化

在Java并发编程中，synchronized关键字是最常用的同步机制之一。它提供了一种简单而有效的线程同步手段，可以保证在同一时刻最多只有一个线程可以执行某个特定的代码段。本文将深入探讨synchronized的内部原理，并分析其优化手段。

Synchronized原理

synchronized关键字可以用来修饰方法或者代码块，其底层实现主要依赖于Java对象头中的锁信息（Mark Word），以及操作系统的互斥锁。

在Java并发编程中，原子性、可见性和有序性是保证线程安全的关键特性。下面将详细解析这三个特性的原理和相关的优化措施。

多并发造成的问题

原子性问题

原子性指的是一个或多个操作成为一个不可分割的单元，要么全部执行，要么全部不执行。在Java中，基本数据类型的赋值操作（如int、long）是原子的，但是对于非原子性的操作，如i++，就需要额外的同步措施来保证其原子性。Java提供了synchronized关键字、Lock接口以及Atomic类来保证复杂操作的原子性。

可见性问题

可见性问题是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即看到这个修改。Java内存模型允许线程拥有自己独立的本地内存，这可能导致一个线程修改了变量值，而其他线程却看不到这个变化。为了解决可见性问题，可以使用volatile关键字，它确保变量的修改对所有线程都是可见的。此外，synchronized和Lock也可以保证可见性，因为它们确保了同一时间只有一个线程可以访问变量。

有序性问题

有序性问题涉及到指令重排序，这可能导致意想不到的并发问题。Java内存模型中的happens-before原则是判断有序性的一个重要工具。volatile变量的读写操作、synchronized同步块的进入和退出、以及Lock的获取和释放都对有序性有所保证。此外，final字段在初始化后对所有线程都是可见的，这也隐含了一种有序性保证。

在Java并发编程中，Java内存模型（JMM）扮演着至关重要的角色。它定义了主内存与工作内存之间的数据交互过程，以及线程如何通过内存进行通信。以下是对JMM的详细解析。

Java内存模型（JMM）概述

Java内存模型（JMM）是一个抽象的概念，它描述了Java程序中变量的访问规则，以及在多线程环境中这些变量如何被各个线程共享和交互。JMM定义了主内存（Main Memory）和工作内存（Working Memory）的概念，以及它们之间的数据交互过程。

主内存与工作内存

在JMM中，主内存是所有线程共享的内存区域，它存储了所有的变量（包括实例字段、静态字段和数组元素）。工作内存则是每个线程私有的内存区域，它保存了该线程使用的变量的主内存副本。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。

数据交互过程

线程与主内存之间的数据交互过程遵循以下步骤：

1. 读取（read）：线程从主内存中读取变量值到其工作内存。
2. 载入（load）：线程将从主内存中读取的变量值放入工作内存的变量副本中。
3. 赋值（assign）：线程将新值赋给工作内存中的变量副本。
4. 存储（store）：线程将工作内存中的变量副本的值传送到主内存中。
5. 写入（write）：线程将工作内存中的变量副本的值写入主内存的变量中。

这些步骤确保了线程间的变量可见性和一致性。JMM还规定了一些同步规则，以确保在多线程环境中操作的正确性。

内存间的交互操作

JMM定义了八种原子操作来完成主内存和工作内存之间的数据交互：

1. lock（锁定）：作用于主内存的变量，将变量标记为线程独占状态。
2. unlock（解锁）：作用于主内存的变量，解除变量的锁定状态。
3. read（读取）：从主内存中读取变量值到工作内存。
4. load（载入）：将read操作读取的值放入工作内存的变量副本中。
5. use（使用）：将工作内存中的变量值传递给执行引擎。
6. assign（赋值）：将执行引擎的值赋给工作内存中的变量。
7. store（存储）：将工作内存中的变量值传送到主内存中。
8. write（写入）：将store操作的值写入主内存的变量中。

解决出现的问题

在Java中，synchronized关键字是实现线程同步的重要手段，它通过锁定机制来确保原子性、可见性和有序性。下面将详细解析synchronized如何保证这三个特性。

原子性

synchronized通过锁定机制来保证原子性。当一个线程访问被synchronized修饰的代码块或方法时，它必须先获得相应的锁。如果锁已经被其他线程占用，那么这个线程将会被阻塞，直到锁被释放。这样就确保了在任何时刻，只有一个线程能够执行这段代码，从而保证了操作的不可分割性，即原子性。

可见性

synchronized通过内存屏障来保证可见性。当一个线程访问被synchronized修饰的代码块或方法时，它会先通过monitorenter指令尝试获取锁，这个指令具有Load屏障的作用，确保了线程在获取锁之后，能够读取到主内存中的最新值。当线程执行完synchronized代码块或方法后，会通过monitorexit指令释放锁，这个指令具有Store屏障的作用，确保了线程在释放锁之前，将对共享变量的修改刷新回主内存中。这样，其他线程在获取锁后，就能读取到这些修改，保证了可见性。

有序性

synchronized通过内存屏障来禁止指令重排序，从而保证有序性。monitorenter和monitorexit指令相当于复合指令，它们不仅具有加锁和释放锁的功能，同时也具有内存屏障的功能。这些内存屏障可以禁止特定类型的指令重排序，例如StoreStore屏障禁止写操作重排，LoadLoad屏障禁止读操作重排，LoadStore屏障禁止读操作和后续的写操作重排，StoreLoad屏障禁止写操作和后续的读写操作重排。这样，即使编译器和处理器为了优化性能而进行指令重排序，synchronized也能确保在多线程环境下的执行顺序性。

在Java中，synchronized关键字是实现线程同步的一种机制，它通过monitor对象来实现对共享资源的互斥访问。synchronized可以用于方法或代码块，确保在同一时刻最多只有一个线程可以执行某个特定的代码段。

Monitor的概念

在JVM中，每个对象都与一个monitor相关联。当一个线程访问一个对象的同步代码块或同步方法时，它必须首先获得该对象的monitor。如果monitor已经被其他线程持有，则当前线程将被阻塞，直到monitor被释放。

Monitor的获取与释放

• 获取Monitor：当线程尝试进入同步代码块时，它会尝试获取monitor。如果monitor没有被其他线程持有，那么当前线程可以成功获取它，并将monitor中的owner设置为当前线程。如果monitor已经被其他线程持有，那么当前线程将被阻塞，直到monitor被释放。
• 释放Monitor：当线程退出同步代码块时，它会释放持有的monitor，这通常通过执行monitorexit指令来完成。释放后，其他等待的线程可以尝试获取monitor。

Monitor的等待与通知

• 等待（wait）：线程可以通过调用对象的wait()方法在monitor上等待，这将导致线程释放monitor并阻塞，直到其他线程调用该对象的notify()或notifyAll()方法。
• 通知（notify/notifyAll）：持有monitor的线程可以调用notify()或notifyAll()方法来唤醒在该monitor上等待的一个或所有线程。

Monitor的实现

在JVM的实现中，monitor是基于底层操作系统的互斥锁（mutex）实现的。当一个线程获取monitor时，它实际上是在获取一个互斥锁。这种机制确保了同一时刻只有一个线程可以访问被synchronized保护的代码。

锁的升级过程

synchronized同步锁的实现，经历了以下几个阶段的优化：

1. 无锁：初始状态，没有锁，线程可以自由访问。
2. 偏向锁：默认状态，偏向于第一个获取它的线程，如果没有竞争，那么就没有锁的开销。
3. 轻量级锁：当出现锁竞争时，会膨胀为轻量级锁，此时会使用CAS操作尝试获取锁，避免线程阻塞。
4. 重量级锁：当轻量级锁失败时，会膨胀为重量级锁，此时会涉及到操作系统层面的线程阻塞和调度。

Mark Word

每个Java对象都包含一个Mark Word，它存储了对象的锁状态信息。在synchronized实现中，Mark Word会随着锁状态的变化而变化。

锁的获取与释放

• 获取锁：线程通过CAS操作尝试修改对象的Mark Word，将其状态改为“锁定”状态，并记录当前线程的ID。
• 释放锁：线程执行完毕后，会将Mark Word恢复到解锁状态，如果有其他线程在等待，那么会唤醒它们。

Synchronized优化

尽管synchronized提供了一种简单的同步手段，但是在高并发环境下，它可能会成为性能瓶颈。因此，Java开发者对其进行了多次优化。

1. 锁粗化与锁细化

• 锁粗化：将多个连续的同步块合并成一个大的同步块，减少锁的获取和释放次数。
• 锁细化：将一个大的同步块拆分成多个小的同步块，减少锁的持有时间。

2. 锁消除

在某些情况下，编译器可以检测到锁操作是不必要的，因为被同步的代码块不会被多线程并发访问。这时，编译器可以优化掉这些锁操作，称为锁消除。

3. 偏向锁

偏向锁是针对单线程环境的优化，它会将锁偏向第一个获取它的线程，使得这个线程在后续获取锁时不需要进行任何同步操作。

4. 轻量级锁

轻量级锁是针对低并发环境的优化，它使用CAS操作来尝试获取锁，避免了线程的阻塞和上下文切换。

5. 自旋锁

在某些情况下，线程持有锁的时间非常短，使用重量级锁可能会导致线程频繁地阻塞和唤醒，这时可以使用自旋锁，让线程在获取锁之前进行一段时间的自旋等待。

平时写代码的优化

在Java中，synchronized关键字是一个强大的同步机制，但不当使用可能会导致性能问题，如线程阻塞、死锁或系统资源的浪费。以下是一些优化synchronized使用的策略：

1. 缩小同步范围：

   • 只对关键部分的代码使用同步，而不是整个方法。
   • 将大的同步块分解为几个小的同步块。

2. 使用更细粒度的锁：

   • 如果可能，使用多个细粒度的锁而不是一个粗粒度的锁，这样可以减少线程间的等待时间。

3. 锁粗化：

   • 当一个线程连续访问多个资源时，可以考虑将这些资源的锁合并，减少锁的获取和释放次数。

4. 锁分离：

   • 对于读写操作，使用读写锁（如ReentrantReadWriteLock），它允许多个读操作同时进行，只在写操作时才需要独占锁。

5. 避免在循环中使用同步：

   • 循环内的同步可能会导致不必要的阻塞，尽量将同步代码移出循环。

6. 使用并发集合：

   • 考虑使用java.util.concurrent包中的并发集合，如ConcurrentHashMap，它们通常比同步的HashMap更高效。

7. 使用原子变量：

   • 对于简单的变量操作，使用原子类（如AtomicInteger），它们提供了无锁的线程安全操作。

8. 减少锁的争用：

   • 通过设计算法减少线程间的竞争，例如，使用线程本地存储（ThreadLocal）来避免共享资源。

9. 锁升级：

   • Java 6引入了锁升级的概念，从偏向锁到轻量级锁，再到重量级锁。了解这一机制可以帮助你更好地设计同步策略。

10. 使用volatile关键字：

    • 对于只读或写的变量，可以使用volatile关键字来保证变量的可见性，而不是使用synchronized。

11. 避免死锁：

    • 确保所有线程以相同的顺序获取锁，或者使用锁超时机制。

12. 使用Lock接口：

    • java.util.concurrent.locks.Lock提供了比synchronized更灵活的锁定机制，如可中断的锁获取、尝试非阻塞获取锁和超时获取锁。

13. 监控和分析：

    • 使用JVM工具（如jconsole、jstack、VisualVM）来监控线程状态和锁的争用情况，根据分析结果进行优化。

14. 减少锁的持有时间：

    • 尽快释放锁，例如，在方法的开始处获取锁，在方法的最后释放锁。

通过这些策略，可以提高应用程序的并发性能，减少线程争用和等待时间。然而，优化时应谨慎，确保不破坏程序的线程安全性。

synchronizedLock的区别

synchronized和Lock（特指java.util.concurrent.locks.Lock接口及其实现类，如ReentrantLock）都是Java中用于实现线程同步的机制，但它们之间存在一些关键的区别：

1. 锁的实现方式：

   • synchronized是Java内置的关键字，其锁是隐式的，由JVM实现。
   • Lock是一个接口，其实现类提供了显示的锁操作，需要通过代码显式地获取和释放锁。

2. 锁的公平性：

   • synchronized不支持公平锁，它无法保证线程获取锁的顺序。
   • Lock接口的实现类（如ReentrantLock）可以支持公平锁，允许等待时间最长的线程优先获取锁。

3. 锁的可中断性：

   • synchronized无法响应中断，一旦线程开始等待获取锁，它将一直等待直到获取锁，无法在等待过程中响应中断。
   • Lock提供了可中断的锁获取操作，可以通过lockInterruptibly()方法在等待过程中响应中断。

4. 锁的尝试机制：

   • synchronized没有提供尝试获取锁的机制。
   • Lock提供了tryLock()方法，允许尝试非阻塞地获取锁，并立即返回获取结果。

5. 锁的超时机制：

   • synchronized没有提供超时机制。
   • Lock提供了tryLock(long timeout, TimeUnit unit)方法，允许在指定的时间内尝试获取锁。

6. 条件变量：

   • synchronized通过wait()、notify()和notifyAll()方法与条件变量（Condition）配合使用。
   • Lock提供了Condition接口，可以通过newCondition()方法创建一个条件变量，提供了更灵活的条件等待和通知机制。

7. 锁的可重入性：

   • synchronized是可重入的，同一线程可以多次获取同一把锁。
   • Lock也是可重入的，如ReentrantLock。

8. 锁的实现细节：

   • synchronized在JVM层面上通过对象的监视器（monitor）实现，涉及到操作系统的互斥量（mutex）。
   • Lock通常是基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现的，它是一个更高层次的同步工具。

9. 性能：

   • 在某些情况下，synchronized可能比Lock更高效，因为它是由JVM直接实现的，减少了一些额外的开销。
   • Lock提供了更多的功能，但可能会引入更多的开销。然而，随着JVM的优化，这种差异正在缩小。

10. 使用场景：

    • synchronized适用于简单的同步场景，代码块不复杂，锁的获取和释放容易管理。
    • Lock适用于更复杂的同步需求，如需要公平性、可中断性、超时机制或条件变量等高级功能。

总的来说，synchronized和Lock各有优势，选择哪一个取决于具体的应用场景和性能要求。在需要高级功能时，Lock提供了更多的灵活性和控制能力。而在简单的同步场景中，synchronized可能更简单、更高效。

结论

synchronized是Java中一种基本的同步机制，通过锁的升级过程和一系列的优化手段，可以适应不同的并发场景。然而，合理地使用synchronized仍然需要开发者根据具体的应用场景和性能要求来做出选择。在面对高并发和复杂业务逻辑时，可以考虑使用java.util.concurrent包中的并发工具类，它们提供了更丰富的并发控制机制。