java并发之synchronized

Java为我们提供了隐式（synchronized声明方式）和显式（java.util.concurrentAPI编程方式）两种工具来避免线程争用。

本章节探索Java关键字synchronized。主要包含以下几个内容。

synchronized关键字的使用；
synchronized背后的Monitor(管程)；
synchronized保证可见性和防重排序；
使用synchronized注意嵌套锁定。

使用方式

synchronized 关键字有以下四种使用方式。

实例方法
静态方法
实例方法中的代码块
静态方法中的代码块

// 实例方法同步和实例方法代码块同步
public class SynchronizedTest {
    private int count;
    public void setCountPart(int num) {
        synchronized (this) {
            this.count += num;
        }
    }
    public synchronized void setCount(int num) {
        this.count += num;
    }
}

// 静态方法同步和静态方法代码块同步
public class SynchronizedTest {
    private static int count;
    public static void setCountPart(int num) {
        synchronized (SynchronizedTest.class) {
            count += num;
        }
    }
    public static synchronized void setCount(int num) {
        count += num;
    }
}

使用关键字synchronized实现同步是在JVM内部实现处理，对于应用开发人员来说它是隐式进行的。

每个Java对象都有一个与之关联的monitor。

当线程调用实例同步方法时，会自动获取实例对象的monitor。

当线程调用静态同步方法时，会自动获取该类Class实例对象的monitor。

Class实例：JVM为每个加载的class创建了对应的Class实例来保存class及interface的所有信息；

Monitor（管程）

Monitor 直译为监视器，中文圈里称为管程。它的作用是让线程互斥，保护共享数据，另外也可以向其它线程发送满足条件的信号。

如下图，线程通过入口队列（Entry Queue）到达访问共享数据，若有线程占用转移等待队列（Wait Queue），线程访问共享数据完后触发通知或转移到信号队列（Signal Queue）。

monitor

关于管程模型

网上查询很多文章，大多数罗列 “ Hasen 模型、Hoare 模型和 MESA模型 ”这些名词，看过之后我还是一知半解。本着对知识的求真，查找溯源，找到了以下资料。

为什么会有这三种模型？

假设有两个线程A和B，线程B先进入monitor执行，线程A处于等待。**当线程A执行完准备退出的时候，是先退出monitor还是先唤醒线程A？**这时就出现了Mesa语义, Hoare语义和Brinch Hansen语义 三种不同版本的处理方式。

Mesa Semantics

Mesa模型中线程只会出现在WaitQueue，EntryQueue，Monitor。

当线程B发出信号告知线程A时，线程A从WaitQueue 转移到EntryQueue并等待线程B退出Monitor之后再进入Monitor。也就是先通知再退出。

monitor_mesa

Brinch Hanson Semantics

Brinch Hanson模型和Mesa模型类似区别在于仅允许线程B退出Monitor后才能发送信号给线程A。也就是先退出再通知。

monitor_bh

Hoare Semantics

Hoare模型中线程会分别出现在WaitQueue，EntryQueue，SignalQueue，Monitor中。

当线程B发出信号告知线程A并且退出Monitor转移到SignalQueue，线程A进入Monitor。当线程A离开Monitor后，线程B再次回到Monitor。

monitor_hoare

https://www.andrew.cmu.edu/course/15-440-kesden/applications/ln/lecture6.html

https://cseweb.ucsd.edu/classes/sp17/cse120-a/applications/ln/lecture8.html

Java里面monitor是如何处理？

我们通过反编译class文件看下Synchronized工作原理。

public class SynchronizedTest {
    private int count;
    public void setCountPart(int num) {
        synchronized (this) {
            this.count += num;
        }
    }
}

编译和反编译命令

javac SynchronizedTest.java
javap -v SynchronizedTest

我们看到两个关键指令 monitorenter 和 monitorexit

jvm_syn

monitorenter

Each object has a monitor associated with it. The thread that executes monitorenter gains ownership of the monitor associated with objectref. If another thread already owns the monitor associated with objectref, the current thread ……

每个对象都有一个关联monitor。

线程执行 monitorenter 时尝试获取关联对象的monitor。

获取时如果对象的monitor被另一个线程占有，则等待对方释放monitor后再次尝试获取。

如果获取成功则monitor计数器设置为1并将当前线程设为monitor拥有者，如果线程再次进入计数器自增，以表示进入次数。

monitorexit

The current thread should be the owner of the monitor associated with the instance referenced by objectref……

线程执行monitorexit 时，monitor计数器自减，当计数器变为0时释放对象monitor。

原文：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se6/html/Instructions2.doc9.html

可见性和重排序

在介绍Java并发之内存模型的时候，我们提到过线程访问共享对象时会先拷贝副本到CPU缓存，修改后返回CPU缓存，然后等待时机刷新到主存。这样一来另外线程读到的数据副本就不是最新，导致了数据的不一致，一般也将这种问题称为线程可见性问题。

不过在使用synchronized关键字的时候，情况有所不同。线程在进入synchronized后会同步该线程可见的所有变量，退出synchronized后，会将所有修改的变量直接同步到主存，可视为跳过了CPU缓存，这样一来就避免了可见性问题。

另外Java编译器和Java虚拟机为了达到优化性能的目的会对代码中的指令进行重排序。但是重排序会导致多线程执行出现意想不到的错误。使用synchronized关键字可以消除对同步块共享变量的重排序。

局限与性能

synchronized给我们提供了同步处理的便利，但是它在某些场景下也存在局限性，比如以下场景。

读多写少场景。读动作其实是安全，我们应该严格控制写操作。替代方案使用读写锁readwritelock。如果只有一个线程进行写操作，可使用volatile关键字替代。
允许多个线程同时进入场景。synchronized限制了每次只有一个线程可进入。替代方案使用信号量semaphore。
需要保证抢占资源公平性。synchronized并不保证线程进入的公平性。替代方案公平锁FairLock。

关于性能问题。进入和退出同步块操作性能开销很小，但是过大范围设置同步或者在频繁的循环中使用同步可能会导致性能问题。

可重入，在monitorenter指令解读中，可以看出synchronized是可重入，重入一般发生在同步方法嵌套调用中。不过要防止嵌套monitor死锁问题。

比如下面代码会直接造成死锁。

    private final Object lock1 = new Object();
    private final Object lock2 = new Object();
    public void method1()   {
        synchronized (lock1) {
            synchronized (lock2) {
            }
        }
    }
    public void method2()   {
        synchronized (lock2) {
            synchronized (lock1) {
            }
        }
    }

现实情况中，开发一般都不会出现以上代码。但在使用 wait() notify() 很可能会出现阻塞锁定。下面是一个模拟锁的实现。

线程A调用lock()，进入锁定代码执行。
线程B调用lock()，得到monitorObj的monitor后等待线程B唤醒。
线程A执行完锁定代码后，调用unlock()，在尝试获取monitorObj的monitor时，发现有线程占用，也一直挂起。
这样线程A B 就互相干瞪眼！

public class Lock{
protected MonitorObj monitorObj = new MonitorObj();
    protected boolean isLocked = false;
    public void lock() throws InterruptedException{
        synchronized(this){
            while(isLocked){
                synchronized(this.monitorObj){
                    this.monitorObj.wait();
                }
            }
            isLocked = true;
        }
    }
    public void unlock(){
        synchronized(this){
            this.isLocked = false;
            synchronized(this.monitorObj){
                this.monitorObj.notify();
            }
        }
    }
}

总结

本文记录Java并发编程中synchronized相关的知识点。

欢迎大家留言交流，一起学习分享！！！

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