Java并发关键字

并发关键字

关键字: synchronized详解
关键字: volatile详解
关键字: final详解

# Synchronized可以作用在哪里?

对象锁
方法锁
类锁

# Synchronized本质上是通过什么保证线程安全的?

加锁和释放锁的原理

深入JVM看字节码，创建如下的代码：

public class SynchronizedDemo2 {
    Object object = new Object();
    public void method1() {
        synchronized (object) {

        }
    }
}

使用javac命令进行编译生成.class文件

>javac SynchronizedDemo2.java

使用javap命令反编译查看.class文件的信息

>javap -verbose SynchronizedDemo2.class

得到如下的信息：

关注红色方框里的monitorenter和monitorexit即可。

Monitorenter和Monitorexit指令，会让对象在执行，使其锁计数器加1或者减1。每一个对象在同一时间只与一个monitor(锁)相关联，而一个monitor在同一时间只能被一个线程获得，一个对象在尝试获得与这个对象相关联的Monitor锁的所有权的时候，monitorenter指令会发生如下3中情况之一：

monitor计数器为0，意味着目前还没有被获得，那这个线程就会立刻获得然后把锁计数器+1，一旦+1，别的线程再想获取，就需要等待
如果这个monitor已经拿到了这个锁的所有权，又重入了这把锁，那锁计数器就会累加，变成2，并且随着重入的次数，会一直累加
这把锁已经被别的线程获取了，等待锁释放

monitorexit指令：释放对于monitor的所有权，释放过程很简单，就是讲monitor的计数器减1，如果减完以后，计数器不是0，则代表刚才是重入进来的，当前线程还继续持有这把锁的所有权，如果计数器变成0，则代表当前线程不再拥有该monitor的所有权，即释放锁。

下图表现了对象，对象监视器，同步队列以及执行线程状态之间的关系：

该图可以看出，任意线程对Object的访问，首先要获得Object的监视器，如果获取失败，该线程就进入同步状态，线程状态变为BLOCKED，当Object的监视器占有者释放后，在同步队列中得线程就会有机会重新获取该监视器。

可重入原理：加锁次数计数器

看如下的例子：

public class SynchronizedDemo {

    public static void main(String[] args) {
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {

        }
        method2();
    }

    private synchronized static void method2() {

    }
}

对应的字节码

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2                  // class tech/pdai/test/synchronized/SynchronizedDemo
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter
         5: aload_1
         6: monitorexit
         7: goto          15
        10: astore_2
        11: aload_1
        12: monitorexit
        13: aload_2
        15: invokestatic  #3                  // Method method2:()V
      Exception table:
         from    to  target type
             5     7    10   any
            10    13    10   any

上面的SynchronizedDemo中在执行完同步代码块之后紧接着再会去执行一个静态同步方法，而这个方法锁的对象依然就这个类对象，那么这个正在执行的线程还需要获取该锁吗? 答案是不必的，从上图中就可以看出来，执行静态同步方法的时候就只有一条monitorexit指令，并没有monitorenter获取锁的指令。这就是锁的重入性，即在同一锁程中，线程不需要再次获取同一把锁。

Synchronized先天具有重入性。每个对象拥有一个计数器，当线程获取该对象锁后，计数器就会加一，释放锁后就会将计数器减一。

保证可见性的原理：内存模型和happens-before规则

Synchronized的happens-before规则，即监视器锁规则：对同一个监视器的解锁，happens-before于对该监视器的加锁。继续来看代码：

public class MonitorDemo {
    private int a = 0;

    public synchronized void writer() {     // 1
        a++;                                // 2
    }                                       // 3

    public synchronized void reader() {    // 4
        int i = a;                         // 5
    }                                      // 6
}

该代码的happens-before关系如图所示：

在图中每一个箭头连接的两个节点就代表之间的happens-before关系，黑色的是通过程序顺序规则推导出来，红色的为监视器锁规则推导而出：线程A释放锁happens-before线程B加锁，蓝色的则是通过程序顺序规则和监视器锁规则推测出来happens-befor关系，通过传递性规则进一步推导的happens-before关系。现在我们来重点关注2 happens-before 5，通过这个关系我们可以得出什么?

根据happens-before的定义中的一条:如果A happens-before B，则A的执行结果对B可见，并且A的执行顺序先于B。线程A先对共享变量A进行加一，由2 happens-before 5关系可知线程A的执行结果对线程B可见即线程B所读取到的a的值为1。

# Synchronized使得同时只有一个线程可以执行，性能比较差，有什么提升的方法?

简单来说在JVM中monitorenter和monitorexit字节码依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，但是由于使用Mutex Lock需要将当前线程挂起并从用户态切换到内核态来执行，这种切换的代价是非常昂贵的；然而在现实中的大部分情况下，同步方法是运行在单线程环境(无锁竞争环境)如果每次都调用Mutex Lock那么将严重的影响程序的性能。不过在jdk1.6中对锁的实现引入了大量的优化，如锁粗化(Lock Coarsening)、锁消除(Lock Elimination)、轻量级锁(Lightweight Locking)、偏向锁(Biased Locking)、适应性自旋(Adaptive Spinning)等技术来减少锁操作的开销。

锁粗化(Lock Coarsening)：也就是减少不必要的紧连在一起的unlock，lock操作，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。
锁消除(Lock Elimination)：通过运行时JIT编译器的逃逸分析来消除一些没有在当前同步块以外被其他线程共享的数据的锁保护，通过逃逸分析也可以在线程本地Stack上进行对象空间的分配(同时还可以减少Heap上的垃圾收集开销)。
轻量级锁(Lightweight Locking)：这种锁实现的背后基于这样一种假设，即在真实的情况下我们程序中的大部分同步代码一般都处于无锁竞争状态(即单线程执行环境)，在无锁竞争的情况下完全可以避免调用操作系统层面的重量级互斥锁，取而代之的是在monitorenter和monitorexit中只需要依靠一条CAS原子指令就可以完成锁的获取及释放。当存在锁竞争的情况下，执行CAS指令失败的线程将调用操作系统互斥锁进入到阻塞状态，当锁被释放的时候被唤醒。
偏向锁(Biased Locking)：是为了在无锁竞争的情况下避免在锁获取过程中执行不必要的CAS原子指令，因为CAS原子指令虽然相对于重量级锁来说开销比较小但还是存在非常可观的本地延迟。
适应性自旋(Adaptive Spinning)：当线程在获取轻量级锁的过程中执行CAS操作失败时，在进入与monitor相关联的操作系统重量级锁(mutex semaphore)前会进入忙等待(Spinning)然后再次尝试，当尝试一定的次数后如果仍然没有成功则调用与该monitor关联的semaphore(即互斥锁)进入到阻塞状态。

# Synchronized由什么样的缺陷? Java Lock是怎么弥补这些缺陷的?

synchronized的缺陷

效率低：锁的释放情况少，只有代码执行完毕或者异常结束才会释放锁；试图获取锁的时候不能设定超时，不能中断一个正在使用锁的线程，相对而言，Lock可以中断和设置超时
不够灵活：加锁和释放的时机单一，每个锁仅有一个单一的条件(某个对象)，相对而言，读写锁更加灵活
无法知道是否成功获得锁，相对而言，Lock可以拿到状态

Lock解决相应问题

Lock类这里不做过多解释，主要看里面的4个方法:

lock(): 加锁
unlock(): 解锁
tryLock(): 尝试获取锁，返回一个boolean值
tryLock(long,TimeUtil): 尝试获取锁，可以设置超时

Synchronized只有锁只与一个条件(是否获取锁)相关联，不灵活，后来Condition与Lock的结合解决了这个问题。

多线程竞争一个锁时，其余未得到锁的线程只能不停的尝试获得锁，而不能中断。高并发的情况下会导致性能下降。ReentrantLock的lockInterruptibly()方法可以优先考虑响应中断。一个线程等待时间过长，它可以中断自己，然后ReentrantLock响应这个中断，不再让这个线程继续等待。有了这个机制，使用ReentrantLock时就不会像synchronized那样产生死锁了。

# Synchronized和Lock的对比，和选择?

存在层次上

synchronized: Java的关键字，在jvm层面上

Lock: 是一个接口

锁的释放

synchronized: 1、以获取锁的线程执行完同步代码，释放锁 2、线程执行发生异常，jvm会让线程释放锁

Lock: 在finally中必须释放锁，不然容易造成线程死锁

锁的获取

synchronized: 假设A线程获得锁，B线程等待。如果A线程阻塞，B线程会一直等待

Lock: 分情况而定，Lock有多个锁获取的方式，大致就是可以尝试获得锁，线程可以不用一直等待(可以通过tryLock判断有没有锁)

锁的释放（死锁产生）

synchronized: 在发生异常时候会自动释放占有的锁，因此不会出现死锁

Lock: 发生异常时候，不会主动释放占有的锁，必须手动unlock来释放锁，可能引起死锁的发生

锁的状态

synchronized: 无法判断

Lock: 可以判断

锁的类型

synchronized: 可重入不可中断非公平

Lock: 可重入可判断可公平（两者皆可）

性能

synchronized: 少量同步

Lock: 大量同步

Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。（可以通过readwritelock实现读写分离）在资源竞争不是很激烈的情况下，Synchronized的性能要优于ReetrantLock，但是在资源竞争很激烈的情况下，Synchronized的性能会下降几十倍，但是ReetrantLock的性能能维持常态；

ReentrantLock提供了多样化的同步，比如有时间限制的同步，可以被Interrupt的同步（synchronized的同步是不能Interrupt的）等。在资源竞争不激烈的情形下，性能稍微比synchronized差点点。但是当同步非常激烈的时候，synchronized的性能一下子能下降好几十倍。而ReentrantLock确还能维持常态。

调度

synchronized: 使用Object对象本身的wait 、notify、notifyAll调度机制

Lock: 可以使用Condition进行线程之间的调度

用法

synchronized: 在需要同步的对象中加入此控制，synchronized可以加在方法上，也可以加在特定代码块中，括号中表示需要锁的对象。

Lock: 一般使用ReentrantLock类做为锁。在加锁和解锁处需要通过lock()和unlock()显示指出。所以一般会在finally块中写unlock()以防死锁。

底层实现

synchronized: 底层使用指令码方式来控制锁的，映射成字节码指令就是增加来两个指令：monitorenter和monitorexit。当线程执行遇到monitorenter指令时会尝试获取内置锁，如果获取锁则锁计数器+1，如果没有获取锁则阻塞；当遇到monitorexit指令时锁计数器-1，如果计数器为0则释放锁。

Lock: 底层是CAS乐观锁，依赖AbstractQueuedSynchronizer类，把所有的请求线程构成一个CLH队列。而对该队列的操作均通过Lock-Free（CAS）操作。

# Synchronized在使用时有何注意事项?

锁对象不能为空，因为锁的信息都保存在对象头里
作用域不宜过大，影响程序执行的速度，控制范围过大，编写代码也容易出错
避免死锁
在能选择的情况下，既不要用Lock也不要用synchronized关键字，用java.util.concurrent包中的各种各样的类，如果不用该包下的类，在满足业务的情况下，可以使用synchronized关键，因为代码量少，避免出错

# Synchronized修饰的方法在抛出异常时,会释放锁吗?

会

# 多个线程等待同一个Synchronized锁的时候，JVM如何选择下一个获取锁的线程?

非公平锁，即抢占式。

# synchronized是公平锁吗？

synchronized实际上是非公平的，新来的线程有可能立即获得监视器，而在等待区中等候已久的线程可能再次等待，这样有利于提高性能，但是也可能会导致饥饿现象。

# volatile关键字的作用是什么?

防重排序 我们从一个最经典的例子来分析重排序问题。大家应该都很熟悉单例模式的实现，而在并发环境下的单例实现方式，我们通常可以采用双重检查加锁(DCL)的方式来实现。其源码如下：

public class Singleton {
    public static volatile Singleton singleton;
    /**
     * 构造函数私有，禁止外部实例化
     */
    private Singleton() {};
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

现在我们分析一下为什么要在变量singleton之间加上volatile关键字。要理解这个问题，先要了解对象的构造过程，实例化一个对象其实可以分为三个步骤：

分配内存空间。
初始化对象。
将内存空间的地址赋值给对应的引用。

但是由于操作系统可以对指令进行重排序，所以上面的过程也可能会变成如下过程：

分配内存空间。
将内存空间的地址赋值给对应的引用。
初始化对象

如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为volatile类型的变量。

实现可见性

可见性问题主要指一个线程修改了共享变量值，而另一个线程却看不到。引起可见性问题的主要原因是每个线程拥有自己的一个高速缓存区——线程工作内存。volatile关键字能有效的解决这个问题，我们看下下面的例子，就可以知道其作用：

public class TestVolatile {
    private static boolean stop = false;

    public static void main(String[] args) {
        // Thread-A
        new Thread("Thread A") {
            @Override
            public void run() {
                while (!stop) {
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + " stopped");
            }
        }.start();

        // Thread-main
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            System.out.println(Thread.currentThread() + " after 1 seconds");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        stop = true;
    }
}

执行输出如下

Thread[main,5,main] after 1 seconds

// Thread A一直在loop, 因为Thread A 由于可见性原因看不到Thread Main 已经修改stop的值

可以看到 Thread-main 休眠1秒之后，设置 stop = ture，但是Thread A根本没停下来，这就是可见性问题。如果通过在stop变量前面加上volatile关键字则会真正stop:

Thread[main,5,main] after 1 seconds
Thread[Thread A,5,main] stopped

Process finished with exit code 0

保证原子性:单次读/写

volatile不能保证完全的原子性，只能保证单次的读/写操作具有原子性。

# volatile能保证原子性吗?

不能完全保证，只能保证单次的读/写操作具有原子性。

# 32位机器上共享的long和double变量的为什么要用volatile?

因为long和double两种数据类型的操作可分为高32位和低32位两部分，因此普通的long或double类型读/写可能不是原子的。因此，鼓励大家将共享的long和double变量设置为volatile类型，这样能保证任何情况下对long和double的单次读/写操作都具有原子性。

如下是JLS中的解释：

17.7 Non-Atomic Treatment of double and long

For the purposes of the Java programming language memory model, a single write to a non-volatile long or double value is treated as two separate writes: one to each 32-bit half. This can result in a situation where a thread sees the first 32 bits of a 64-bit value from one write, and the second 32 bits from another write.
Writes and reads of volatile long and double values are always atomic.
Writes to and reads of references are always atomic, regardless of whether they are implemented as 32-bit or 64-bit values.
Some implementations may find it convenient to divide a single write action on a 64-bit long or double value into two write actions on adjacent 32-bit values. For efficiency’s sake, this behavior is implementation-specific; an implementation of the Java Virtual Machine is free to perform writes to long and double values atomically or in two parts.
Implementations of the Java Virtual Machine are encouraged to avoid splitting 64-bit values where possible. Programmers are encouraged to declare shared 64-bit values as volatile or synchronize their programs correctly to avoid possible complications.

目前各种平台下的商用虚拟机都选择把 64 位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此我们在编写代码时一般不把long 和 double 变量专门声明为 volatile多数情况下也是不会错的。

# volatile是如何实现可见性的?

内存屏障。

# volatile是如何实现有序性的?

happens-before等

# 说下volatile的应用场景?

使用 volatile 必须具备的条件

对变量的写操作不依赖于当前值。
该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。
只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile。

例子 1：单例模式

单例模式的一种实现方式，但很多人会忽略 volatile 关键字，因为没有该关键字，程序也可以很好的运行，只不过代码的稳定性总不是 100%，说不定在未来的某个时刻，隐藏的 bug 就出来了。

class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            syschronized(Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    } 
}

例子2： volatile bean

在 volatile bean 模式中，JavaBean 的所有数据成员都是 volatile 类型的，并且 getter 和 setter 方法必须非常普通 —— 除了获取或设置相应的属性外，不能包含任何逻辑。此外，对于对象引用的数据成员，引用的对象必须是有效不可变的。(这将禁止具有数组值的属性，因为当数组引用被声明为 volatile 时，只有引用而不是数组本身具有 volatile 语义)。对于任何 volatile 变量，不变式或约束都不能包含 JavaBean 属性。

@ThreadSafe
public class Person {
    private volatile String firstName;
    private volatile String lastName;
    private volatile int age;
 
    public String getFirstName() { return firstName; }
    public String getLastName() { return lastName; }
    public int getAge() { return age; }
 
    public void setFirstName(String firstName) { 
        this.firstName = firstName;
    }
 
    public void setLastName(String lastName) { 
        this.lastName = lastName;
    }
 
    public void setAge(int age) { 
        this.age = age;
    }
}

# 所有的final修饰的字段都是编译期常量吗?

不是

# 如何理解private所修饰的方法是隐式的final?

类中所有private方法都隐式地指定为final的，由于无法取用private方法，所以也就不能覆盖它。可以对private方法增添final关键字，但这样做并没有什么好处。看下下面的例子：

public class Base {
    private void test() {
    }
}

public class Son extends Base{
    public void test() {
    }
    public static void main(String[] args) {
        Son son = new Son();
        Base father = son;
        //father.test();
    }
}

Base和Son都有方法test(),但是这并不是一种覆盖，因为private所修饰的方法是隐式的final，也就是无法被继承，所以更不用说是覆盖了，在Son中的test()方法不过是属于Son的新成员罢了，Son进行向上转型得到father，但是father.test()是不可执行的，因为Base中的test方法是private的，无法被访问到。

# 说说final类型的类如何拓展?

比如String是final类型，我们想写个MyString复用所有String中方法，同时增加一个新的toMyString()的方法，应该如何做?

外观模式：

/**
* @pdai
*/
class MyString{

    private String innerString;

    // ...init & other methods

    // 支持老的方法
    public int length(){
        return innerString.length(); // 通过innerString调用老的方法
    }

    // 添加新方法
    public String toMyString(){
        //...
    }
}

# final方法可以被重载吗?

我们知道父类的final方法是不能够被子类重写的，那么final方法可以被重载吗? 答案是可以的，下面代码是正确的。

public class FinalExampleParent {
    public final void test() {
    }

    public final void test(String str) {
    }
}

# 父类的final方法能不能够被子类重写?

不可以

# 说说基本类型的final域重排序规则?

先看一段示例性的代码：

public class FinalDemo {
    private int a;  //普通域
    private final int b; //final域
    private static FinalDemo finalDemo;

    public FinalDemo() {
        a = 1; // 1. 写普通域
        b = 2; // 2. 写final域
    }

    public static void writer() {
        finalDemo = new FinalDemo();
    }

    public static void reader() {
        FinalDemo demo = finalDemo; // 3.读对象引用
        int a = demo.a;    //4.读普通域
        int b = demo.b;    //5.读final域
    }
}

假设线程A在执行writer()方法，线程B执行reader()方法。

写final域重排序规则

写final域的重排序规则禁止对final域的写重排序到构造函数之外，这个规则的实现主要包含了两个方面：

JMM禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外；
编译器会在final域写之后，构造函数return之前，插入一个storestore屏障。这个屏障可以禁止处理器把final域的写重排序到构造函数之外。

我们再来分析writer方法，虽然只有一行代码，但实际上做了两件事情：

构造了一个FinalDemo对象；
把这个对象赋值给成员变量finalDemo。

我们来画下存在的一种可能执行时序图，如下：

由于a,b之间没有数据依赖性，普通域(普通变量)a可能会被重排序到构造函数之外，线程B就有可能读到的是普通变量a初始化之前的值(零值)，这样就可能出现错误。而final域变量b，根据重排序规则，会禁止final修饰的变量b重排序到构造函数之外，从而b能够正确赋值，线程B就能够读到final变量初始化后的值。

因此，写final域的重排序规则可以确保：在对象引用为任意线程可见之前，对象的final域已经被正确初始化过了，而普通域就不具有这个保障。比如在上例，线程B有可能就是一个未正确初始化的对象finalDemo。

读final域重排序规则

读final域重排序规则为：在一个线程中，初次读对象引用和初次读该对象包含的final域，JMM会禁止这两个操作的重排序。(注意，这个规则仅仅是针对处理器)，处理器会在读final域操作的前面插入一个LoadLoad屏障。实际上，读对象的引用和读该对象的final域存在间接依赖性，一般处理器不会重排序这两个操作。但是有一些处理器会重排序，因此，这条禁止重排序规则就是针对这些处理器而设定的。

read()方法主要包含了三个操作：

初次读引用变量finalDemo;
初次读引用变量finalDemo的普通域a;
初次读引用变量finalDemo的final域b;

假设线程A写过程没有重排序，那么线程A和线程B有一种的可能执行时序为下图：

读对象的普通域被重排序到了读对象引用的前面就会出现线程B还未读到对象引用就在读取该对象的普通域变量，这显然是错误的操作。而final域的读操作就“限定”了在读final域变量前已经读到了该对象的引用，从而就可以避免这种情况。

读final域的重排序规则可以确保：在读一个对象的final域之前，一定会先读这个包含这个final域的对象的引用。

# 说说final的原理?

写final域会要求编译器在final域写之后，构造函数返回前插入一个StoreStore屏障。
读final域的重排序规则会要求编译器在读final域的操作前插入一个LoadLoad屏障。

PS:很有意思的是，如果以X86处理为例，X86不会对写-写重排序，所以StoreStore屏障可以省略。由于不会对有间接依赖性的操作重排序，所以在X86处理器中，读final域需要的LoadLoad屏障也会被省略掉。也就是说，以X86为例的话，对final域的读/写的内存屏障都会被省略！具体是否插入还是得看是什么处理器。