JUC学习之共享模型上

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导读:

  • 共享问题
  • synchronized
  • 线程安全分析
  • Monitor

共享带来的问题

小故事

  • 老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快

  • 小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
  • 但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）

  • 在这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
  • 另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
  • 于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
  • 这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
  • 最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上
  • 计算流程是这样的

  • 但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
  • 小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
  • 老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1…] 不甘心地
    到一边待着去了（上下文切换）
  • 老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
  • 这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写 入了笔记本

  • 小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0

Java 的体现

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 counter++;
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 counter--;
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("{}",counter);
}

问题分析

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理
解，必须从字节码来进行分析

例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而对应 i-- 也是类似：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：

但多线程下这 8 行代码可能交错运行：

出现负数的情况：

出现正数的情况：

临界区 Critical Section

  • 一个程序运行多个线程本身是没有问题的

  • 问题出在多个线程访问共享资源
    多个线程读共享资源其实也没有问题
    在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题

  • 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

例如，下面代码中的临界区

static int counter = 0;
static void increment() 
// 临界区
{ 
 counter++; }
static void decrement() 
// 临界区
{ 
 counter--; }

竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

synchronized 解决方案

应用之互斥

为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。

  • 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
  • 非阻塞式的解决方案：原子变量

本次使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。

这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

注意

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

  • 互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
  • 同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

synchronized

语法

synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
 临界区
}

解决

static int counter = 0;
static final Object room = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 synchronized (room) {
 counter++;
 }
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 5000; i++) {
 synchronized (room) {
 counter--;
 }
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("{}",counter);
}

图解

你可以做这样的类比：

  • synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人 进行计算，线程
    t1，t2 想象成两个人
  • 当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码
  • 这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
  • 这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦）， 这时门还是锁住的，t1
    仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才 能开门进入
  • 当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥
    匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码
  • 如果门外有多个线程同时等待，那么当t1执行完后，cpu会决定将时间片分给门外等待的哪一个线程，被选中的线程将得到钥匙，进入房间，剩余线程继续在门外等待

用图来表示

思考

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切
换所打断。

为了加深理解，请思考下面的问题

  • 如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？-- 原子性
  • 如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？-- 锁对象
  • 如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？-- 锁对象

需要对同一个对象加锁

面向对象改进

把需要保护的共享变量放入一个类

class Room {
 int value = 0;
 public void increment() {
 synchronized (this) {
 value++;
 }
 }
 public void decrement() {
 synchronized (this) {
 value--;
 }
 }
 public int get() {
 synchronized (this) {
 return value;
 }
 }
}
@Slf4j
public class Test1 {
 
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Room room = new Room();
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int j = 0; j < 5000; j++) {
 room.increment();
 }
 }, "t1");
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 for (int j = 0; j < 5000; j++) {
 room.decrement();
 }
 }, "t2");
 t1.start();
 t2.start();
 t1.join();
 t2.join();
 log.debug("count: {}" , room.get());
 }
}

方法上的 synchronized

普通方法上的锁，锁的是this对象，即调用当前方法的对象

class Test{
 public synchronized void test() {
 
 }
}
等价于
class Test{
 public void test() {
 synchronized(this) {
 
 }
 }
}

静态方法上加锁，锁的是类对象，即Test.class对象，类对象在类一开始加载的时候，就被加载进了内存，且一个类只有一个类对象，即类对象是单例的

class Test{
 public synchronized static void test() {
 }
}
等价于
class Test{
 public static void test() {
 synchronized(Test.class) {
 
 }
 }
}

不加 synchronized 的方法

不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）

线程八锁案例

其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象

  • 情况1：12 或 21
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public synchronized void a() {
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //锁住的是同一个对象n1,即两个线程一把锁
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
  • 情况2：1s后12，或 2 1s后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //锁住的是同一个对象n1,即两个线程一把锁
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
  • 情况3：3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
 public synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
 public void c() {
 log.debug("3");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //a方法和b方法的调用，两个线程是一把锁
 //但是c方法没有锁，因此是和a或b方法在一开始并行执行的
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.c(); }).start();
}
  • 情况4：2 1s 后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 //两个线程是两个锁，一个锁的是n1对象，一个锁的是n2对象
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}
  • 情况5：2 1s 后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
 }
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //a方法上加的锁是类对象锁，即Number.class
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 //b方法上加的锁是当前对象锁，即n1对象
 //显然与上面线程不是一把锁，所以是并行执行
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
  • 情况6：1s 后12， 或 2 1s后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public static synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 //两个线程都是一个类对象锁
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
  • 情况7：2 1s 后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 //当前线程锁的对象是Number.class
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 //当前线程是锁的对象是n2
 //与上面线程不是一把锁，因此两个线程是并行执行的
 new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}
  • 情况8：1s 后12， 或 2 1s后 1
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
 public static synchronized void a() {
 sleep(1);
 log.debug("1");
 }
 public static synchronized void b() {
 log.debug("2");
 }
}
public static void main(String[] args) {
 Number n1 = new Number();
 Number n2 = new Number();
 //两个线程锁的对象都是Number.class，因此是一把锁
 new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
 new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

变量的线程安全分析

成员变量和静态变量是否线程安全？

如果它们没有共享，则线程安全

如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况

  • 如果只有读操作，则线程安全
  • 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

局部变量是否线程安全？

局部变量是线程安全的

但局部变量引用的对象则未必

  • 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
  • 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

局部变量线程安全分析

public static void test1() {
 int i = 10;
 i++; 
 }

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

public static void test1();
 descriptor: ()V
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
 Code:
 stack=1, locals=1, args_size=0
 0: bipush 10
 2: istore_0
 3: iinc 0, 1
 6: return
 LineNumberTable:
 line 10: 0
 line 11: 3
 line 12: 6
 LocalVariableTable:
 Start Length Slot Name Signature
 3 4 0 i I

如图

局部变量的引用稍有不同

先看一个成员变量的例子

class ThreadUnsafe {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 public void method1(int loopNumber) {
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
 // { 临界区, 会产生竞态条件
 method2();
 method3();
  // } 临界区
 }
 }
 private void method2() {
 list.add("1");
 }
 private void method3() {
 list.remove(0);
 }
}

执行

static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
 ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
 for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
 new Thread(() -> {
 test.method1(LOOP_NUMBER);
 }, "Thread" + i).start();
 }
}

其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错：

Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0 
 at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657) 
 at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496) 
 at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35) 
 at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26) 
 at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14) 
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

分析：

  • 无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
  • method3 与 method2 分析相同

将 list 修改为局部变量

class ThreadSafe {
 public final void method1(int loopNumber) {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
 method2(list);
 method3(list);
 }
 }
 private void method2(ArrayList<String> list) {
 list.add("1");
 }
 private void method3(ArrayList<String> list) {
 list.remove(0);
 }
}

那么就不会有上述问题了

分析：

  • list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
  • 而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
  • method3 的参数分析与 method2 相同

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？

  • 情况1：有其它线程调用 method2 和 method3----不会，因为其他线程传入method2和method3里面的list集合肯定不是method1里面的那份
  • 情况2：在 情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，即
class ThreadSafe {
 public final void method1(int loopNumber) {
 ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
 method2(list);
 method3(list);
 }
 }
 private void method2(ArrayList<String> list) {
 list.add("1");
  }
 private void method3(ArrayList<String> list) {
 list.remove(0);
 }
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
 @Override
 public void method3(ArrayList<String> list) {
 new Thread(() -> {
 list.remove(0);
 }).start();
 }
}

情况2会产生线程安全的问题，因为子类另开一个线程，这个线程用的是父类里面的list局部变量，相当于存在两个线程对一个变量进行读写操作，会有指令交错的问题发生

因此如果将父类的method1方法加上final，method2,3方法加上private,这样可以很好保护父类的资源，防止并发问题发生

从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

常见线程安全类

  • String
  • Integer
  • StringBuffer
  • Random
  • Vector
  • Hashtable
  • java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为

Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
 table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
 table.put("key", "value2");
}).start();
  • 它们的每个方法是原子的
  • 但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析

线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？

Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
 table.put("key", value);
}

显然图中可以看出，不是线程安全的，虽然方法的执行完成了原子性操作，但是多线程下方法执行的顺序还是会导致问题

不可变类线程安全性

String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的

有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？

public class Immutable{
 private int value = 0;
 public Immutable(int value){
 this.value = value;
 }
 public int getValue(){
 return this.value;
 }
}

如果想增加一个增加的方法呢？

public class Immutable{
 private int value = 0;
 public Immutable(int value){
 this.value = value;
 }
 public int getValue(){
 return this.value;
 }
 
 public Immutable add(int v){
 return new Immutable(this.value + v);
 } 
}

实例分析

例1：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全？
 Map<String,Object> map = new HashMap<>();
 // 是否安全？
 String S1 = "...";
 // 是否安全？
 final String S2 = "...";
 // 是否安全？
 Date D1 = new Date();
 // 是否安全？
 final Date D2 = new Date();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
  // 使用上述变量
 }
}

除了字符串能保证线程安全外，其他均不可

例2：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全？
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
 // 记录调用次数
 private int count = 0;
 
 public void update() {
 // ...
 count++;
 }
}

Servlet体系结构是建立在Java多线程机制之上的，它的生命周期是由Web容器负责的。当客户端第一次请求某个Servlet时，Servlet容器将会根据web.xml配置文件实例化这个Servlet类。当有新的客户端请求该Servlet时，一般不会再实例化该Servlet类，也就是有多个线程在使用这个实例。Servlet容器会自动使用线程池等技术来支持系统的运行，如图1所示。

这样，当两个或多个线程同时访问同一个Servlet时，可能会发生多个线程同时访问同一资源的情况，数据可能会变得不一致。所以在用Servlet构建的Web应用时如果不注意线程安全的问题，会使所写的Servlet程序有难以发现的错误。
总结下，一个Servlet究竟有几个实例呢？受如下几个原因影响：
1.是否在分布式环境中部署
2.是否实现SingleThreadModel，如果实现则最多会创建20个实例
3.在web.xml中声明了几次，即使同一个Servlet，如果声明多次，也会生成多个实例。

由于Servlet是单例的，因此成员变量userService在多个线程同时访问的时候，也只有一份实例，并且UserServiceImpl 里面还有一个count成员变量，这个变量会在多线程读写的情况下产生线程安全问题

例3：

@Aspect
@Component
public class MyAspect {
 // 是否安全？
 private long start = 0L;
 
 @Before("execution(* *(..))")
 public void before() {
 start = System.nanoTime();
 }
 
 @After("execution(* *(..))")
 public void after() {
 long end = System.nanoTime();
 System.out.println("cost time:" + (end-start));
 }
}

显然当存在多个线程的时候，如果一个线程在执行after函数的时候，另一个线程正好执行完before函数，那么此时end-start=0，显然不正确

例4：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
 // 是否安全
 private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
 
 public void update() {
 userDao.update();
 }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao { 
 public void update() {
 String sql = "update user set password = ? where username = ?";
 // 是否安全
 try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
 // ...
 } catch (Exception e) {
 // ...
 }
 }
}

UserDaoImpl里面没有成员变量，并且每个线程访问update方法时候，获取的connection是不一样的，因此不存在线程安全问题

虽然UserService在多线程情况下，还是只有一份实例，但是因为其内部没有成员变量，因此不存在线程安全的问题

UserDao同理

例5：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
 // 是否安全
 private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
 
 public void update() {
 userDao.update();
 }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
 // 是否安全
 private Connection conn = null;
 public void update() throws SQLException {
 String sql = "update user set password = ? where username = ?";
 conn = DriverManager.getConnection("","","");
 // ...
 conn.close();
 }
}

这里Connection成员变量存在被多线程共享的问题，因此会产生线程安全问题，所以记得把connection做成局部变量

例6：

public class MyServlet extends HttpServlet {
 // 是否安全
 private UserService userService = new UserServiceImpl();
 
 public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
 userService.update(...);
 }
}
public class UserServiceImpl implements UserService { 
 public void update() {
 UserDao userDao = new UserDaoImpl();
 userDao.update();
 }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
 // 是否安全
 private Connection = null;
 public void update() throws SQLException {
 String sql = "update user set password = ? where username = ?";
 conn = DriverManager.getConnection("","","");
 // ...
 conn.close();
 }
}

userService调用update方法每一次得到的都是一个新的userDao实例对象，那么多线程情况下，每次获取到的也是不同的userDao对象，那么userDao里面的connection虽然做成了成员变量，此时也不存在线程安全问题，因此不同的线程访问，得到的是不同的connection对象

例7：

public abstract class Test {
 
 public void bar() {
 // 是否安全
 SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
 foo(sdf);
  }
 
 public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);
 
 
 public static void main(String[] args) {
 new Test().bar();
 }
}

其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为外星方法

public void foo(SimpleDateFormat sdf) {
 String dateStr = "1999-10-11 00:00:00";
 for (int i = 0; i < 20; i++) {
 new Thread(() -> {
 try {
 sdf.parse(dateStr);
 } catch (ParseException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 }).start();
 }
}

局部变量的引用对外暴露也会导致线程不安全的情况发生,请比较 JDK 中 String 类的实现

例8：

private static Integer i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 List<Thread> list = new ArrayList<>();
 for (int j = 0; j < 2; j++) {
 Thread thread = new Thread(() -> {
 for (int k = 0; k < 5000; k++) {
 synchronized (i) {
 i++;
 }
 }
 }, "" + j);
 list.add(thread);
 }
 list.stream().forEach(t -> t.start());
 list.stream().forEach(t -> {
 try {
 t.join();
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 });
  log.debug("{}", i);
}

Monitor 概念

Java 对象头

以 32 位虚拟机为例

普通对象

数组对象:

Mark Word结构:

Monitor 原理

Monitor 被翻译为监视器或管程

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

Monitor 结构如下

过程解析

初始状态,给对象obj加上同步锁,此时线程2执行到临界区代码

  • 刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
  • 当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为Thread-2，Monitor中只能有一 个 Owner
  • 在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED
  • Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
  • 图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING状态的线程，后面讲 wait-notify 时会分析
    注意：
    synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果
    不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

synchronized 原理

static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
 synchronized (lock) {
 counter++;
 }
}

对应的字节码为

public static void main(java.lang.String[]);
 descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
 stack=2, locals=3, args_size=1
 0: getstatic #2 // <- lock引用 （synchronized开始）
 3: dup
 4: astore_1 // lock引用 -> slot 1
 5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
 6: getstatic #3 // <- i
 9: iconst_1 // 准备常数 1
 10: iadd // +1
 11: putstatic #3 // -> i
 14: aload_1 // <- lock引用
 15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
 16: goto 24
 //异常处理
 19: astore_2 // e -> slot 2 
 20: aload_1 // <- lock引用
 21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
 22: aload_2 // <- slot 2 (e)
 23: athrow // throw e
 24: return
 Exception table:
 //如果6-16,19-22之间出现异常，那么来到19行，进行异常的处理
 from to target type
 6 16 19 any
 19 22 19 any
 LineNumberTable:
 line 8: 0
 line 9: 6
 line 10: 14
 line 11: 24
 LocalVariableTable:
 Start Length Slot Name Signature
 0 25 0 args [Ljava/lang/String;
 StackMapTable: number_of_entries = 2
 frame_type = 255 /* full_frame */
 offset_delta = 19
 locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]
 stack = [ class java/lang/Throwable ]
 frame_type = 250 /* chop */
 offset_delta = 4

注意
方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

从上面字节码也可以看出，如果出现了异常，也不会造成死无法释放的事情出现

小故事

故事角色

  • 老王 - JVM
  • 小南 - 线程
  • 小女 - 线程
  • 房间 - 对象
  • 房间门上 - 防盗锁 - Monitor
  • 房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
  • 房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
  • 批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
  • 不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向

小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是防盗锁，当上下文切换时，锁住门。这样，
即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。

但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女
晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？

小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因
此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是
自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式。

后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍
然觉得麻烦。

于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，下次来用房间时，只要名字还在，那
么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦
掉，升级为挂书包的方式。

同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老
家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老
王觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字

后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以
使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
 synchronized( obj ) {
 // 同步块 A
 method2();
 }
}
public static void method2() {
 synchronized( obj ) {
 // 同步块 B
 }
}
  • 创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的
    Mark Word

  • 让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存
    入锁记录

  • 如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下

  • 如果 cas 失败，有两种情况
    如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
    如果是自己执行了 synchronized,锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

  • 当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重
    入计数减一

  • 当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word的值恢复给对象 头
    成功，则解锁成功
    失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有
竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

static Object obj = new Object();
public static void method1() {
 synchronized( obj ) {
 // 同步块
 }
}
  • 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

  • 这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
    即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
    然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

  • 当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁
    流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步
块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

  • 自旋重试成功的情况

  • 自旋重试失败的情况

  • 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
  • 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会
    高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
  • Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现
这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

例如：

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
 synchronized( obj ) {
 // 同步块 A
 m2();
 }
}
public static void m2() {
 synchronized( obj ) {
 // 同步块 B
 m3();
 }
}
public static void m3() {
 synchronized( obj ) {
  // 同步块 C
 }
}

可以简单将cas（compare and set）操作，理解为用锁记录替换markword的操作

偏向状态

回忆一下对象头格式

一个对象创建时：

  • 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的thread、epoch、age 都为 0
  • 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
  • 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值

1） 测试延迟特性

2） 测试偏向锁

class Dog {}

利用 jol 第三方工具来查看对象头信息（注意这里我扩展了 jol 让它输出更为简洁）

// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 
public static void main(String[] args) throws IOException {
 Dog d = new Dog();
 ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
 new Thread(() -> {
 log.debug("synchronized 前");
 System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
 synchronized (d) {
 log.debug("synchronized 中");
 System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
 }
 log.debug("synchronized 后");
 System.out.println(classLayout.toPrintableSimple(true));
 }, "t1").start();
 }

输出(markword)

11:08:58.117 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101 
11:08:58.121 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11101011 11010000 00000101

注意
处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中

3）测试禁用

在上面测试代码运行时在添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

输出

11:13:10.018 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 00010100 11110011 10001000 
11:13:10.021 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

正常状态—轻量级锁—解锁，恢复正常状态

上面这些值，除了最后两位标注当前为正常状态，其余值默认为0，用的时候才会赋值

  1. 测试 hashCode

正常状态对象一开始是没有 hashCode 的，第一次调用才生成

为什么调用对象的hashcode方法会禁用对象的偏向锁?

  • 偏向锁开启后，因为线程id存储占了54位，因此没有地方存放hashcode了，如果调用对象的hashcode方法，意味着需要在markword中开辟地方存放hashcode,所以这里就发生了诡异的事情，即禁用了偏向锁，来存放hashcode，当前对象恢复为了正常状态

轻量级锁和重量级锁会不会存在这样的问题?

  • 不会，因为轻量级锁中，hashcode存放在锁记录中，而重量级锁中，hashcode存放在monitor对象中

撤销 - 调用对象 hashCode

不懂的，回看上面

调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销

  • 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
  • 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode

在调用 hashCode 后使用偏向锁，记得去掉 -XX:-UseBiasedLocking

输出

11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015 
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000 
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001

撤销 - 其它线程使用对象—偏向锁转为轻量级锁的情况

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

private static void test2() throws InterruptedException {
 Dog d = new Dog();
 
 //线程1执行
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 
 synchronized (d) {
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 synchronized (TestBiased.class) {
 TestBiased.class.notify();
 }
 
 // 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释
 // 因为：t1 线程不能结束，否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程，底层线程 id 是一样的
 /*try { System.in.read(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); }*/
 
 }, "t1");
 
 t1.start();
 
 //线程2执行
 Thread t2 = new Thread(() -> 
 {
 
 synchronized (TestBiased.class) 
 {
 
 try {
 TestBiased.class.wait();
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 
 }
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 synchronized (d)
  {
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 }, "t2");
 
 t2.start();
 
}

输出

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000 
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001

这里使用wait–notify是为了让线程1和线程2错开执行，即线程1执行完了，再去执行线程2，否则线程1还没指向完，线程2就来了，那么此时无论是偏向锁还是轻量级锁，都会变成重量级锁，因此线程2需要被阻塞住，等待线程1执行完

上面线程1和线程2错开执行后，线程1一开始是偏向锁，相当于在门上标注了自己的名字，这样做的好处是建立在这个房间长期都是线程1一个人用的时候，非常方便，因此下次过来，只要看见房间上刻着的是自己的名字，就可以直接进去

而当线程2过来后，发现房间上刻着线程1的名字，但此时线程1又不在房间里面，因此线程2会将线程1的名字察掉，在门口挂上自己的书本，即此时锁由偏向锁变为轻量级锁

当线程2处理完事情，从房间离开后，把自己的书包带走了，此时房间不属于任何人，恢复了正常的状态

偏向锁和轻量级锁的前提都是建立在两个线程是错开执行，而不会产生同时执行的可能

撤销 - 调用 wait/notify

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Dog d = new Dog();
 Thread t1 = new Thread(() -> 
 {
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 synchronized (d) 
 {
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 try 
 {
 d.wait();
 }
  catch (InterruptedException e) 
  {
 e.printStackTrace();
 }
 
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 }
 
 }, "t1");
 
 t1.start();
 
 new Thread(() -> 
 {
 
 try 
 {
 Thread.sleep(6000);
 } 
 catch (InterruptedException e)
  {
 e.printStackTrace();
 }
 
 synchronized (d) 
 {
 log.debug("notify");
 d.notify();
 }
 
 }, "t2").start();
 
}

输出

[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101 
[t2] - notify 
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010

可以看出，调用wait–notify时，也会撤销偏向锁，因为wait–notify只有重量级锁才有，因此调用wait–notify后，偏向锁或者轻量级锁，都会升级为重量级锁

批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象
的 Thread ID

当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至
加锁线程

private static void test3() throws InterruptedException {
 Vector<Dog> list = new Vector<>();
 Thread t1 = new Thread(() -> {
 for (int i = 0; i < 30; i++) {
 Dog d = new Dog();
 list.add(d);
 //这里给30个dog对象加上的都是偏向锁
 synchronized (d) {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 }
 //上面操作执行完后，唤醒t2线程
 synchronized (list) {
 list.notify();
 } 
 }, "t1");
 t1.start();
 
 Thread t2 = new Thread(() -> {
 synchronized (list) {
 try {
 //等待t1执行.....
 list.wait();
 } catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
 }
 }
 log.debug("===============> ");
 //t1执行完了，t2开始执行
 for (int i = 0; i < 30; i++) {
 //取出30个dog对象
 Dog d = list.get(i);
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 synchronized (d) {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 }, "t2");
 t2.start();
}

输出

[t1] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
[t1] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101 
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批量撤销

当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象
都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

static Thread t1,t2,t3;
private static void test4() throws InterruptedException {
 Vector<Dog> list = new Vector<>();
 int loopNumber = 39;
 t1 = new Thread(() -> 
 {
 
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) 
 {
 
 Dog d = new Dog();
 
 list.add(d);
 
 //t1给40个dog对象都加上了偏向锁
 synchronized (d) 
 {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 }
 
 LockSupport.unpark(t2);
 
 }, "t1");
 
 t1.start();
 
 t2 = new Thread(() -> 
 {
 
 LockSupport.park();
 
 log.debug("===============> ");
 
 //t1执行完后，执行t2
 //还是前20个对象，都是撤销偏向锁---》轻量级锁----》恢复正常状态
 //后面的对象全部偏向t2线程
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++) 
 {
 
 Dog d = list.get(i);
 
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 synchronized (d) 
 {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 }
 
 LockSupport.unpark(t3);
 
 }, "t2");
 
 t2.start();
 
 t3 = new Thread(() ->
  {
  
 LockSupport.park();
 
 log.debug("===============> ");
 
 //t2执行完后，执行t3
 //因为前20个对象已经是不可偏向的了，因此还是不可偏向---》轻量级锁----》不可偏向
 //后面20个对象，都是偏向t2的，因此还是执行偏向撤销操作
 //撤销偏向锁----》轻量级锁----》恢复正常状态
 //当最后我们想new一个dog对象的时候，这时dog类的对象偏向锁的撤销次数达到了40次，因此会变为不可偏向的状态
 //但是注意:当dog类的对象，撤销偏向锁的次数达到40次后，那么该类的对象都会变为不可偏向的状态，即最后三位是001
 for (int i = 0; i < loopNumber; i++)
  {
  
 Dog d = list.get(i);
 
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 synchronized (d) 
 {
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 }
 
 log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
 
 }
 
 }, "t3");
 
 t3.start();
 
 t3.join();
 
 //创建的新对象也是不可偏向的
 log.debug(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintableSimple(true));
}

偏向锁的相关文献资料

Java对象头的组成
批量重偏向和批量撤销
https://github.com/farmerjohngit/myblog/issues/12

锁偏向的论文

锁消除

@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)//计算平均每个测试方法执行时间
@Warmup(iterations=3)//热身三组
@Measurement(iterations=5)//循环执行五次
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)//输出单位是纳秒
public class MyBenchmark {
 static int x = 0;
 //测试方法1
 @Benchmark
 public void a() throws Exception {
 x++;
 }
 
 @Benchmark
 public void b() throws Exception {
 //因为这里的局部变量不会逃逸出当前的方法去执行范围，因此下面的锁其实意义不大，因此jvm的jit即时编译器会对其进行优化操作
 //将下面方法的synchronized 优化掉，变为x++操作
 Object o = new Object();
 synchronized (o) {
 x++;
  }
 }
}

锁消除默认开启

java -jar benchmarks.jar

输出

Benchmark Mode Samples Score Score error Units 
c.i.MyBenchmark.a avgt 5 1.542 0.056 ns/op 
c.i.MyBenchmark.b avgt 5 1.518 0.091 ns/op

可以看出，两者的执行速度基本没太大差别

不开启锁消除

java -XX:-EliminateLocks -jar benchmarks.jar

输出

Benchmark Mode Samples Score Score error Units 
c.i.MyBenchmark.a avgt 5 1.507 0.108 ns/op 
c.i.MyBenchmark.b avgt 5 16.976 1.572 ns/op

速度差异还是比较大的

锁粗化

对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，可以使用锁粗化方式来优化，这不同于之前讲的细分锁的粒度。

把很多次锁的请求合并成一个请求，以降低短时间内大量锁请求、同步、释放带来的性能损耗。

public void doSomethingMethod(){
    synchronized(lock){
        //do some thing
    }
    //这是还有一些代码，做其它不需要同步的工作，但能很快执行完毕
    synchronized(lock){
        //do other thing
    }
}

上面的代码是有两块需要同步操作的，但在这两块需要同步操作的代码之间，需要做一些其它的工作，而这些工作只会花费很少的时间，那么我们就可以把这些工作代码放入锁内，将两个同步代码块合并成一个，以降低多次锁请求、同步、释放带来的系统性能消耗，合并后的代码如下:

public void doSomethingMethod(){
    //进行锁粗化：整合成一次锁请求、同步、释放
    synchronized(lock){
        //do some thing
        //做其它不需要同步但能很快执行完的工作
        //do other thing
    }
}

注意：这样做是有前提的，就是中间不需要同步的代码能够很快速地完成，如果不需要同步的代码需要花很长时间，就会导致同步块的执行需要花费很长的时间，这样做也就不合理了。

另一种需要锁粗化的极端的情况是：

for(int i=0;i<size;i++){
    synchronized(lock){
    }
}

上面代码每次循环都会进行锁的请求、同步与释放，看起来貌似没什么问题，且在jdk内部会对这类代码锁的请求做一些优化，但是还不如把加锁代码写在循环体的外面，这样一次锁的请求就可以达到我们的要求，除非有特殊的需要：循环需要花很长时间，但其它线程等不起，要给它们执行的机会。

锁粗化后的代码如下：

synchronized(lock){
    for(int i=0;i<size;i++){
    }
}

版权说明 : 本文为转载文章, 版权归原作者所有 版权申明

原文链接 : https://blog.csdn.net/m0_53157173/article/details/121897980

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