Java 多线程应知应会

请简单说说 synchronized 关键字的底层原理

java 说到多线程绝对绕不开 synchronized，很多 java 工程师对 synchronized 是又爱又恨。为什么呢？主要原因包括以下几点：

1. 在网上找到的各种学习资料，内容杂乱很多都是基于老版本写的，自己实践起来发现和网上说的不一样，不是那么回儿事儿。烦躁……

2. 每次出去面试都会问这个问题，又没法直接看源码。烦躁

3. 在小公司的开发同事们一定会发现，如果是做 javaWeb 项目的，在实际工作中很少会遇到多线程的问题。因为数据量小，请求数量小等各种原因。

所以经过这段时间的学习总结（瞎看，瞎扒拉），我想在这里简单输出一下我对 synchronized 关键字的底层原理的理解。

monitor 计数器

这里先声明一个前提，synchronized 是可重入锁，也就是说已加锁的对象可以再次被获取到锁的线程再次加锁。是不是有点绕嘴，看看下面这段代码：

public class SynchronizedDemo {


    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedDemo synchronizedDemo = new SynchronizedDemo();
        synchronizedDemo.test();
    }

    public synchronized void test() {
        System.out.println("来一把锁");
        test1();
    }

    public synchronized void test1() {
        System.out.println("再次加锁");
    }
}

/* output 来一把锁 再次加锁*/

简单来解释一下这段代码。我们创建了一个对象 synchronizedDemo，然后调用方法 test，由于 synchronized 修饰了该方法，所以我们将对象 synchronizedDemo 进行了加锁。然后，test 方法内部又调用了 test1 方法，这个时候我们发现 test1 也是 synchronized 修饰的，所以我们再次对 synchronizedDemo 进行了加锁，这是对该对象的第二次加锁。

这里其实体现了 synchronized 是可重入锁的特性。广义上说可重入锁指的是可重复可递归调用的锁，在外层使用锁之后，在内层仍然可以使用，并且不发生死锁（前提得是同一个对象或者class），这样的锁就叫做可重入锁。

好了言归正传，synchronized 是如何做到的呢？

简单来说其底层有一个 monitor 计数器，当当一个线程第一次获取到对象的时候，会将对象头中的计数器改为 1，在加锁周期内再次加锁的话，那么就在原有的基础上再+1，以此类推。这是怎么回事儿呢？

可以这么理解 test 方法是这么执行的

1. 现场会首先判断synchronizedDemo 对象是否已经被加密了，也就是计数器是否为 0

2. 如果已经是 1 了，那说明这个对象已经被其他线程占有了，当前线程无法获取这个对象，这个时候只能等待

3. 如果计数器为 0，说明这个对象当前没有别的线程在使用，当前线程就可以对其进行加锁。monitor 计数器+1（从 0 变成 1）

4. 如果加锁方法中还调用了其他加锁方法，每次执行一个加锁方法嵌套都会使monitor 计数器+1，方法执行完成之后再-1.

5. 最终synchronized 修饰的方法执行完毕之后，对象的 monitor 计数器为 0，等待其他线程使用。

这样说好像还是有点模糊，我在这里简单抽象的模拟一下这个过程大致是这样的：

monitorenter  +1
  test();
		monitorenter +1
      test1();
		monitorexit; -1
monitorexit; -1

当执行test 方法之前，monitorenter 将计数器+1（这个时候计数器的值是 1，获取到这个对象之前，对象的计数器一定是 0，否则获取不到），然后 test 方法中又调用了 test1 方法，而这个方法也是被 synchronized 修饰的，那么会再次执行monitorenter将计数器加 1（这个时候计数器的值为 2）。当 test1 方法执行完之后，monitorexit 会将计数器的值-1（这个时候就是 1 了，2 - 1 = 1），然后 test 方法执行完了，monitorexit 将计数器的值再-1，当这个时候计数器的值就是 0了。也就是锁已经被释放，这个对象的锁可以继续被其他线程获取了。

synchronized 锁方法是锁的什么？

相信大家都知道 synchronized 可以对 对象和方法进行加锁。

	Map<String, Object> map = new HashMap<>();	
	// 修饰方法
	public synchronized void test() {
        System.out.println("来一把锁");
       // 锁对象
        synchronized (map) {
            System.out.println("对 map 对象进行加锁");
        }
        test1();
    }

看到这里集合上面说的计数器，就会有同学提出疑问了。

不是说计数器在对象头里面存储的吗？那方法加锁是针对哪里加的锁啊？先说结论：对方法加锁，锁是还是加载对象上的，哪个对象调用的这个方法，就是在哪个对象上加锁。

举个例子：

public class SynchronizedDemo {


    HashMap<String, Object> map = new HashMap<>();

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedDemo synchronizedDemo = new SynchronizedDemo();
        synchronizedDemo.test1();
    }


    public synchronized void test1() {
        System.out.println("再次加锁");
    }

}

这里可以看到 test1 方法被 synchronized 修饰了，我们加锁是记载 synchronizedDemo 对象上的，是这个对象调用 test1 方法。所以是对他进行加锁的。

简单说说 CAS的理解

像 synchronized 这种独占锁属于悲观锁，它是在悲观的任务加锁的这个地方一定会发生冲突。除了悲观锁之后，还有乐观锁，乐观锁的含义就是我乐观的认为这个的地方不会发生冲突，如果没有发生冲突我就正常执行，如果发生了冲突，我就重试。

CAS 就属于乐观锁。

为了方便理解 CAS，我们说个典型的例子。假设多个线程执行这个方法increment，势必会发生线程安全问题。因为 i++不是原子性操作，而且 increment方法没有加锁。

public class CASDemo {

    int i = 0;
    public void increment() {
        i++;
    }

}

解决方法有两种，第一个肯定是刚才我们说的通过 synchronized 来加锁。

public class CASDemo {

    int i = 0;
    public synchronized void increment() {
        i++;
    }
  
	  public static void main(String[] args) {
        CASDemo casDemo = new CASDemo();
      	casDemo.increment();
    }
}

这里就是对 casDemo进行加锁，只有一个线程可以成功的对casDemo进行加锁，可以对他关联的monitor 计数器+1，加锁。其他线程就会等待这个对象被释放。这样的画出就是多个线程在这变成了串行化，效率会有损耗。多个线程在这排队。

第二个办法就是将 i++变成原子性操作，如何做到呢 java.util.concurrent.atomic包中带有大量原子性的对象，比如 AtomicInteger。

public class CASDemo {

    AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        i.incrementAndGet();
    }

}

由于 increment 方法只有一行命令，而且这个方法还是原子性的，那么这个方法自然不存在线程安全问题。

看到这里很多哥们就会问了，你不是说 CAS 吗，怎么扯到这个了？别着急啊，前面都是铺垫，我这不是正要说了嘛。

其实 incrementAndGet 就是一个 CAS 操作。CAS 的全称是 compare and set ，比较并替换。CAS的思想很简单：三个参数，一个当前内存值V、旧的预期值A、即将更新的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做，并返回false。其业务逻辑原理如图所示

CAS 存在的问题

1. ABA问题

CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。这就是CAS的ABA问题。 常见的解决思路是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A-B-A 就会变成1A-2B-3A。 目前在JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

1. 循环时间长开销大

上面我们说过如果CAS不成功，则会原地自旋，如果长时间自旋会给CPU带来非常大的执行开销。

参考资料《Java CAS 原理解析》

互联网Java工程师面试突击（第三季）

《Java 并发变成实战》

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未完待遇