Java中的Synchronized原理与Callable接口实践分析

一、基本特点

1. 开始时是乐观锁, 如果锁冲突频繁, 就转换为悲观锁.

2. 开始是轻量级锁实现, 如果锁被持有的时间较长, 就转换成重量级锁.

3. 实现轻量级锁的时候大概率用到的自旋锁策略

4. 是一种不公平锁

5. 是一种可重入锁

6. 不是读写锁

二、加锁工作过程

JVM 将 synchronized 锁分为 无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁状态。会根据情况，进行依次升级。

偏向锁

假设男主是一个锁, 女主是一个线程. 如果只有这一个线程来使用这个锁, 那么男主女主即使不领证 结婚(避免了高成本操作), 也可以一直幸福的生活下去. 但是女配出现了, 也尝试竞争男主, 此时不管领证结婚这个操作成本多高, 女主也势必要把这个动作 完成了, 让女配死心

偏向锁不是真的 "加锁", 只是给对象头中做一个 "偏向锁的标记", 记录这个锁属于哪个线程. 如果后续没有其他线程来竞争该锁, 那么就不用进行其他同步操作了(避免了加锁解锁的开销) 如果后续有其他线程来竞争该锁(刚才已经在锁对象中记录了当前锁属于哪个线程了, 很容易识别 当前申请锁的线程是不是之前记录的线程), 那就取消原来的偏向锁状态, 进入一般的轻量级锁状态

偏向锁本质上相当于 "延迟加锁" . 能不加锁就不加锁, 尽量来避免不必要的加锁开销. 但是该做的标记还是得做的, 否则无法区分何时需要真正加锁

偏向锁不是真的加锁, 而只是在锁的对象头中记录一个标记(记录该锁所属的线程). 如果没有其他线 程参与竞争锁, 那么就不会真正执行加锁操作, 从而降低程序开销. 一旦真的涉及到其他的线程竞 争, 再取消偏向锁状态, 进入轻量级锁状态

轻量级锁

随着其他线程进入竞争, 偏向锁状态被消除, 进入轻量级锁状态(自适应的自旋锁). 此处的轻量级锁就是通过 CAS 来实现.

通过 CAS 检查并更新一块内存 (比如 null => 该线程引用)

如果更新成功, 则认为加锁成功

如果更新失败, 则认为锁被占用, 继续自旋式的等待(并不放弃 CPU).

自旋操作是一直让 CPU 空转, 比较浪费 CPU 资源. 因此此处的自旋不会一直持续进行, 而是达到一定的时间/重试次数, 就不再自旋了. 也就是所谓的 "自适应"

重量级锁

如果竞争进一步激烈, 自旋不能快速获取到锁状态, 就会膨胀为重量级锁 此处的重量级锁就是指用到内核提供的 mutex .

执行加锁操作, 先进入内核态.

在内核态判定当前锁是否已经被占用

如果该锁没有占用, 则加锁成功, 并切换回用户态.

如果该锁被占用, 则加锁失败. 此时线程进入锁的等待队列, 挂起. 等待被操作系统唤醒.

经历了一系列的沧海桑田, 这个锁被其他线程释放了, 操作系统也想起了这个挂起的线程, 于是唤醒 这个线程, 尝试重新获取锁

三、其他的优化操作

锁消除

编译器+JVM 判断锁是否可消除. 如果可以, 就直接消除

有些应用程序的代码中, 用到了 synchronized, 但其实没有在多线程环境下. (例如 StringBuffer)

StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("a");
sb.append("b");
sb.append("c");
sb.append("d");

此时每个 append 的调用都会涉及加锁和解锁. 但如果只是在单线程中执行这个代码, 那么这些加 锁解锁操作是没有必要的, 白白浪费了一些资源开销.

锁粗化

一段逻辑中如果出现多次加锁解锁, 编译器 + JVM 会自动进行锁的粗化.

领导, 给下属交代工作任务

方式一:

打电话, 交代任务1, 挂电话.

打电话, 交代任务2, 挂电话.

打电话, 交代任务3, 挂电话

方式二:

打电话, 交代任务1, 任务2, 任务3, 挂电话

四、Callable 接口

Callable 是什么

Callable 是一个 interface . 相当于把线程封装了一个 "返回值". 方便程序猿借助多线程的方式计算 结果.

Callable 和 Runnable 相对, 都是描述一个 "任务". Callable 描述的是带有返回值的任务, Runnable 描述的是不带返回值的任务.Callable 通常需要搭配 FutureTask 来使用. FutureTask 用来保存 Callable 的返回结果. 因为 Callable 往往是在另一个线程中执行的, 啥时候执行完并不确定. FutureTask 就可以负责这个等待结果出来的工作.

代码示例: 创建线程计算 1 + 2 + 3 + ... + 1000, 不使用 Callable 版本

public class Text {
 
    static class Result{
        public int sum = 0;
        public Object locker = new Object();
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Result result = new Result();
 
        Thread t = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                int sum = 0;
                for (int i = 0; i <=10000; i++){
                    sum += i;
                }
                result.sum = sum;
 
                synchronized (result.locker){
                    result.locker.notify();
                }
            }
        };
        t.start();
        synchronized (result.locker){
            while (result.sum == 0){
                result.locker.wait();
            }
        }
        System.out.println(result.sum);
    }
}

代码示例: 创建线程计算 1 + 2 + 3 + ... + 1000, 使用 Callable 版本

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.FutureTask;
 
public class Text1 {
 
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Callable callable = new Callable() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                int sum = 0;
                for (int i = 0; i <=1000; i++){
                    sum += i;
                }
                return sum;
            }
        };
        //由于Thread不能直接传一个callable实例，就需要一个辅助类来包装
        FutureTask futureTask = new FutureTask<>(callable);
        Thread t = new Thread(futureTask);
        t.start();
        //尝试在主线程获取结果
        //如果FutureTask中的结果还没生成。此时就会阻塞等待
        //一直等到最终的线程把这个结果算出来，get返回
        Integer result = futureTask.get();
        System.out.println(result);
    }
}