java多线程同步，线程安全--一网打尽

线程同步的基础是java内存模型，如果对java内存模型还不了解，需要先了解一下

1. volatile

volatile的特性
Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则，当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性。

保证此变量对所有线程的可见性，即当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成，例如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。

禁止指令重排序优化。普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics）。

volatile 型变量实现原理

具体实现方式是在编译期生成字节码时，会在指令序列中增加内存屏障来保证，下面是基于保守策略的 JMM 内存屏障插入策略：

在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障。该屏障除了保证了屏障之前的写操作和该屏障之后的写操作不能重排序，还会保证了 volatile 写操作之前，任何的读写操作都会先于 volatile 被提交。

在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障。该屏障除了使 volatile 写操作不会与之后的读操作重排序外，还会刷新处理器缓存，使 volatile 变量的写更新对其他线程可见。

在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障。该屏障除了使 volatile 读操作不会与之前的写操作发生重排序外，还会刷新处理器缓存，使 volatile 变量读取的为最新值。

在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障。该屏障除了禁止了 volatile 读操作与其之后的任何写操作进行重排序，还会刷新处理器缓存，使其他线程 volatile 变量的写更新对 volatile 读操作的线程可见。

volatile能保证原子性吗？
volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题，但是Java里面的运算并非原子操作，并且volatile并不能保证原子性，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。

volatile的使用场景
1.状态标记量
使用volatile来修饰状态标记量，使得状态标记量对所有线程是实时可见的，从而保证所有线程都能实时获取到最新的状态标记量，进一步决定是否进行操作。

2.双重检测机制实现单例
普通的双重检测机制在极端情况，由于指令重排序会出现问题，通过使用volatile来修饰instance，禁止指令重排序，从而可以正确的实现单例。

2. CAS

常用的锁机制有两种：

1、悲观锁：假定会发生并发冲突，屏蔽一切可能违反数据完整性的操作。悲观锁的实现，往往依靠底层提供的锁机制；悲观锁会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。
2、乐观锁：假设不会发生并发冲突，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，只在提交操作时检查是否违反数据完整性。如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。乐观锁大多是基于数据版本记录机制实现。为数据增加一个版本标识，比如在基于数据库表的版本解决方案中，一般是通过为数据库表增加一个 “version” 字段来实现。读取出数据时，将此版本号一同读出，之后更新时，对此版本号加一。此时，将提交数据的版本数据与数据库表对应记录的当前版本信息进行比对，如果提交的数据版本号大于数据库表当前版本号，则予以更新，否则认为是过期数据。

乐观锁的缺点是不能解决脏读的问题。

在实际生产环境里边,如果并发量不大且不允许脏读，可以使用悲观锁解决并发问题；但如果系统的并发非常大的话,悲观锁定会带来非常大的性能问题,所以我们就要选择乐观锁定的方法.

锁机制存在以下问题：

（1）在多线程竞争下，加锁、释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题。
（2）一个线程持有锁会导致其它所有需要此锁的线程挂起。
（3）如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置，引起性能风险。

2.1 CAS是什么？

CAS是英文单词CompareAndSwap的缩写，中文意思是：比较并替换。CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。

CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。

CAS使用的是乐观锁机制。

2.2 CAS的实现原理

CAS的原理很简单，包含三个值当前内存值(V)、预期原来的值(A)以及期待更新的值(B)。

如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B,返回true。否则处理器不做任何操作，返回false。

实现CAS最重要的一点，就是比较和交换操作的一致性，否则就会产生歧义。

比如当前线程比较成功后，准备更新共享变量值的时候，这个共享变量值被其他线程更改了，那么CAS函数必须返回false。

要实现这个需求，java中提供了Unsafe类，它提供了三个函数，分别用来操作基本类型int和long，以及引用类型Object

    public final native boolean compareAndSwapObject(Object obj, long valueOffset, Object expect, Object update);public final native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long valueOffset, int expect, int update);public final native boolean compareAndSwapLong(Object obj, long valueOffset, long expect, long update);

参数的意义：

obj 和 valueOffset：表示这个共享变量的内存地址。这个共享变量是obj对象的一个成员属性，valueOffset表示这个共享变量在obj类中的内存偏移量。所以通过这两个参数就可以直接在内存中修改和读取共享变量值。

expect: 表示预期原来的值。

update: 表示期待更新的值。

接下来我们来看看java并发框架下的atomic包是如何使用CAS的。

2.3 JUC并发框架下的原子类(atomic)

调用JUC并发框架下原子类的方法时，不需要考虑多线程问题。那么我们分析它是怎么解决多线程问题的。以AtomicInteger类为例

成员变量

   // 通过它来实现CAS操作的。因为是int类型，所以调用它的compareAndSwapInt方法private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();// value这个共享变量在AtomicInteger对象上内存偏移量，// 通过它直接在内存中修改value的值，compareAndSwapInt方法中需要这个参数private static final long valueOffset;// 通过静态代码块，在AtomicInteger类加载时就会调用static {try {// 通过unsafe类，获取value变量在AtomicInteger对象上内存偏移量valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}// 共享变量，AtomicInteger就保证了对它多线程操作的安全性。// 使用volatile修饰，解决了可见性和有序性问题。private volatile int value;

有三个重要的属性：

unsafe: 通过它实现CAS操作，因为共享变量是int类型，所以调用compareAndSwapInt方法。

valueOffset: 共享变量value在AtomicInteger对象上内存偏移量

value: 共享变量，使用volatile修饰，解决了可见性和有序性问题。

get与set方法

    // 直接读取。因为是volatile关键子修饰的，总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最新的写入public final int get() {return value;}// 直接写入。因为是volatile关键子修饰的，所以它修改value变量也会立即被别的线程读取到。public final void set(int newValue) {value = newValue;}

因为value变量是volatile关键字修饰的，它总是能读取(任意线程)对这个volatile变量最新的写入。它修改value变量也会立即被别的线程读取到。

compareAndSet方法

    // 如果value变量的当前值(内存值)等于期望值(expect)，那么就把update赋值给value变量，返回true。// 如果value变量的当前值(内存值)不等于期望值(expect)，就什么都不做，返回false。// 这个就是CAS操作，使用unsafe.compareAndSwapInt方法，保证整个操作过程的原子性public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);}

通过调用unsafe的compareAndSwapInt方法实现CAS函数的。但是CAS函数只能保证比较并交换操作的原子性，但是更新操作并不一定会执行。比如我们想让共享变量value自增。
共享变量value自增是三个操作，1.读取value值，2.计算value+1的值，3.将value+1的值赋值给value。分析这三个操作：

读取value值,因为value变量是volatile关键字修饰的，能够读取到任意线程对它最后一次修改的值，所以没问题。

计算value+1的值：这个时候就有问题了，可能在计算这个值的时候，其他线程更改了value值，因为没有加同步锁，所以其他线程可以更改value值。

将value+1的值赋值给value: 使用CAS函数，如果返回false，说明在当前线程读取value值到调用CAS函数方法前，共享变量被其他线程修改了，那么value+1的结果值就不是我们想要的了，要重新计算。

getAndAddInt方法

     public final int getAndAddInt(Object obj, long valueOffset, int var) {int expect;// 利用循环，直到更新成功才跳出循环。do {// 获取value的最新值expect = this.getIntVolatile(obj, valueOffset);// expect + var表示需要更新的值，如果compareAndSwapInt返回false，说明value值被其他线程更改了。// 那么就循环重试，再次获取value最新值expect，然后再计算需要更新的值expect + var。直到更新成功} while(!this.compareAndSwapInt(obj, valueOffset, expect, expect + var));// 返回当前线程在更改value成功后的，value变量原先值。并不是更改后的值return expect;}

这个方法在Unsafe类中，利用do_while循环，先利用当前值，计算更新值，然后通过compareAndSwapInt方法设置value变量，如果compareAndSwapInt方法返回失败，表示value变量的值被别的线程更改了，所以循环获取value变量最新值，再通过compareAndSwapInt方法设置value变量。直到设置成功。跳出循环，返回更新前的值。

2.4 CAS的缺点：
CAS虽然很高效的解决了原子操作问题，但是CAS仍然存在三大问题。

循环时间长开销很大：

CAS 通常是配合无限循环一起使用的，我们可以看到 getAndAddInt 方法执行时，如果 CAS 失败，会一直进行尝试。如果 CAS 长时间一直不成功，可能会给 CPU 带来很大的开销。

只能保证一个变量的原子操作：

当对一个变量执行操作时，我们可以使用循环 CAS 的方式来保证原子操作，但是对多个变量操作时，CAS 目前无法直接保证操作的原子性。但是我们可以通过以下两种办法来解决：1）使用互斥锁来保证原子性；2）将多个变量封装成对象，通过 AtomicReference 来保证原子性。

ABA问题

什么是ABA问题？ABA问题怎么解决？
CAS 的使用流程通常如下：1）首先从地址 V 读取值 A；2）根据 A 计算目标值 B；3）通过 CAS 以原子的方式将地址 V 中的值从 A 修改为 B。

但是在第1步中读取的值是A，并且在第3步修改成功了，我们就能说它的值在第1步和第3步之间没有被其他线程改变过了吗？

如果在这段期间它的值曾经被改成了B，后来又被改回为A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。Java并发包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此，在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

3. synchronized

synchronized关键字在需要原子性、可见性和有序性这三种特性的时候都可以作为其中一种解决方案，看起来是“万能”的。的确，大部分并发控制操作都能使用synchronized来完成。

3.1 synchronized的用法

synchronized是Java中的关键字，是一种同步锁。它修饰的对象有以下几种：
1. 修饰一个代码块，被修饰的代码块称为同步语句块，其作用的范围是大括号{}括起来的代码，作用的对象是调用这个代码块的对象；
2. 修饰一个方法，被修饰的方法称为同步方法，其作用的范围是整个方法，作用的对象是调用这个方法的对象；
3. 修改一个静态的方法，其作用的范围是整个静态方法，作用的对象是这个类的所有对象；
4. 修改一个类，其作用的范围是synchronized后面括号括起来的部分，作用的对象是这个类的所有对象。

synchronized 与static synchronized锁的范围不同,synchronized锁的是对象，static synchronized锁是class对象，两个互相不受影响。可以同时被访问。
synchronized static因为锁的是class。class在内存中只有一个。所以多个线程不能同时访问。
synchronized锁的是对象。针对同一个实例（同一个对象），多个线程不能同时访问。如果是不同的实例，那么也可以同时访问。

3.2 synchronized底层原理：

分别从synchronized对对象、方法和代码块三方面加锁，去介绍他怎么保证线程安全的：

synchronized 对对象进行加锁，在 JVM 中，对象在内存中分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance
Data）和对齐填充（Padding）。

对象头：我们以Hotspot虚拟机为例，Hotspot的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Klass Pointer（类型指针）。

Mark Word：默认存储对象的HashCode，分代年龄和锁标志位信息。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
Klass Point：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
你可以看到在对象头中保存了锁标志位和指向 monitor 对象的起始地址，如下图所示，右侧就是对象对应的 Monitor 对象。

当 Monitor 被某个线程持有后，就会处于锁定状态，如图中的 Owner 部分，会指向持有 Monitor 对象的线程。

另外 Monitor 中还有两个队列分别是EntryList和WaitList，主要是用来存放进入及等待获取锁的线程。

如果线程进入，则得到当前对象锁，那么别的线程在该类所有对象上的任何操作都不能进行。

在对象级使用锁通常是一种比较粗糙的方法，为什么要将整个对象都上锁，而不允许其他线程短暂地使用对象中其他同步方法来访问共享资源？

如果一个对象拥有多个资源，就不需要只为了让一个线程使用其中一部分资源，就将所有线程都锁在外面。

由于每个对象都有锁，可以使用虚拟对象来上锁。

synchronized 应用在方法上时，在字节码中是通过方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来实现的。

synchronized 应用在同步块上时，在字节码中是通过 monitorenter 和 monitorexit 实现的。

每个对象都会与一个monitor相关联，当某个monitor被拥有之后就会被锁住，当线程执行到monitorenter指令时，就会去尝试获得对应的monitor。

步骤如下：

每个monitor维护着一个记录着拥有次数的计数器。未被拥有的monitor的该计数器为0，当一个线程获得monitor（执行monitorenter）后，该计数器自增变为 1 。
当同一个线程再次获得该monitor的时候，计数器再次自增；
当不同线程想要获得该monitor的时候，就会被阻塞。
当同一个线程释放 monitor（执行monitorexit指令）的时候，计数器再自减。
当计数器为0的时候，monitor将被释放，其他线程便可以获得monitor。

小结：
同步方法和同步代码块底层都是通过monitor来实现同步的。

两者的区别：同步方式是通过方法中的access_flags中设置ACC_SYNCHRONIZED标志来实现，同步代码块是通过monitorenter和monitorexit来实现。

我们知道了每个对象都与一个monitor相关联，而monitor可以被线程拥有或释放。

当线程执行到monitorenter的时候要先获得所锁，才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁。

每个对象自身维护着一个被加锁次数的计数器，当计数器数字为0时表示可以被任意线程获得锁。当计数器不为0时，只有获得锁的线程才能再次获得锁。即可重入锁。

值得注意的是，如果在方法执行过程中，发生了异常，并且方法内部并没有处理该异常，那么在异常被抛到方法外面之前监视器锁会被自动释放。

在Java中，为了保证原子性，提供了两个高级的字节码指令monitorenter和monitorexit。

通过monitorenter和monitorexit指令，可以保证被synchronized修饰的代码在同一时间只能被一个线程访问，在锁未释放之前，无法被其他线程访问到。

因此，在Java中可以使用synchronized来保证方法和代码块内的操作是原子性的。

被synchronized修饰的代码，在开始执行时会加锁，执行完成后会进行解锁。

而为了保证可见性，有一条规则是这样的：对一个变量解锁之前，必须先把此变量同步回主存中。这样解锁后，后续线程就可以访问到被修改后的值。

所以，synchronized关键字锁住的对象，其值是具有可见性的。

synchronized是无法禁止指令重排和处理器优化的。那么，为什么还说synchronized也提供了有序性保证呢？

这就要再把有序性的概念扩展一下了。

Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有操作都是天然有序的。如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。

以上这句话也是《深入理解Java虚拟机》中的原句，但是怎么理解呢？周志明并没有详细的解释。这里我简单扩展一下，这其实和as-if-serial语义有关。

as-if-serial语义的意思指：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），单线程程序的执行结果都不能被改变。编译器和处理器无论如何优化，都必须遵守as-if-serial语义。

简单说就是，as-if-serial语义保证了单线程中，指令重排是有一定的限制的，而只要编译器和处理器都遵守了这个语义，那么就可以认为单线程程序是按照顺序执行的。当然，实际上还是有重排的，只不过我们无须关心这种重排的干扰。

所以呢，由于synchronized修饰的代码，同一时间只能被同一线程访问。那么也就是单线程执行的。所以，可以保证其有序性。

3.3 synchronize与锁优化

锁的状态总共有四种，无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，也就是说只能从低到高升级，不会出现锁的降级。

synchronized的实现方式中使用Monitor进行加锁，这是一种互斥锁，为了表示他对性能的影响我们称之为重量级锁。

这种互斥锁在互斥同步上对性能的影响很大，Java的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统的帮忙，这就要从用户态转换到内核态，因此状态转换需要花费很多的处理器时间。

Java虚拟机的开发工程师们在分析过大量数据后发现：共享数据的锁定状态一般只会持续很短的一段时间，为了这段时间去挂起和恢复线程其实并不值得。

如果物理机上有多个处理器，可以让多个线程同时执行的话。我们就可以让后面来的线程“稍微等一下”，但是并不放弃处理器的执行时间，看看持有锁的线程会不会很快释放锁。这个“稍微等一下”的过程就是自旋。

自旋锁在JDK 1.4中已经引入，在JDK 1.6中默认开启。

自旋锁和阻塞锁最大的区别就是，到底要不要放弃处理器的执行时间。对于阻塞锁和自旋锁来说，都是要等待获得共享资源。但是阻塞锁是放弃了CPU时间，进入了等待区，等待被唤醒。而自旋锁是一直“自旋”在那里，时刻的检查共享资源是否可以被访问。

由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

偏向锁

偏向锁是Java 6之后加入的新锁，它是一种针对加锁操作的优化手段，经过研究发现，在大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些CAS操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时Mark Word 的结构也变为偏向锁结构，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即获取锁的过程，这样就省去了大量有关锁申请的操作，从而也就提供程序的性能。所以，对于没有锁竞争的场合，偏向锁有很好的优化效果，毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合，偏向锁就失效了，因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的，因此这种场合下不应该使用偏向锁，否则会得不偿失，需要注意的是，偏向锁失败后，并不会立即膨胀为重量级锁，而是先升级为轻量级锁。

轻量级锁

倘若偏向锁失败，虚拟机并不会立即升级为重量级锁，它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的)，此时Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁，在整个同步周期内都不存在竞争”，注意这是经验数据。需要了解的是，轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合，如果存在同一时间访问同一锁的场合，就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

轻量级锁有两种：自旋锁和自适宜自旋锁

自旋锁：

顾名思义当出现线程锁竞争的时候，已经获取锁资源的线程执行同步代码块中代码，没有获取到的线程不会挂起而是在原地循环等待，而不是把该线程给阻塞，直到那个获得锁的线程释放锁之后，这些等待的线程就会进行下一次的锁竞争。在线程自旋的过程中这些线程是存活的，只不过cpu是一直空转的，就是相对于执行一个没有结束的for循环(在java源码中有关于CAS的操作大都是通过for进行自旋)。如果说自旋次数过多就会导致cpu资源的浪费，所以对于自旋的次数，java对其做了规定，默认每个线程最多执行10次(该值)。所以从这上面看来如果要求自旋锁能达到最优状态，最好是同步代码块中的代码执行时间短，并且只存在少量的锁竞争关系。

自适宜自旋锁：

该锁在jdk1.6的时候被引入，线程的自旋次数不再是固定值了而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也是很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间。如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，为了避免浪费处理器资源，那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程,直接升级为重量级锁

锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化，这种优化更彻底，Java虚拟机在JIT编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间，如下StringBuffer的append是一个同步方法，但是在add方法中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会被其他线程所使用，因此StringBuffer不可能存在共享资源竞争的情景，JVM会自动将其锁消除。

public class StringBufferRemoveSync {public void add(String str1, String str2) {//StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用//因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁StringBuffer sb = new StringBuffer();sb.append(str1).append(str2);}public static void main(String[] args) {StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();for (int i = 0; i < 10000000; i++) {rmsync.add("abc", "123");}}}

从互斥锁的设计上来说，当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时，将会处于阻塞状态，但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时，这种情况属于重入锁，请求将会成功，在java中synchronized是基于原子性的内部锁机制，是可重入的，因此在一个线程调用synchronized方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个synchronized方法，也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁，是允许的，这就是synchronized的可重入性。

在获取当前实例对象锁后进入synchronized代码块执行同步代码，并在代码块中调用了当前实例对象的另外一个synchronized方法，再次请求当前实例锁时，将被允许，进而执行方法体代码，这就是重入锁最直接的体现，需要特别注意另外一种情况，当子类继承父类时，子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法。注意由于synchronized是基于monitor实现的，因此每次重入，monitor中的计数器仍会加1。

锁粗化

如果在一段代码中连续的对同一个对象反复加锁解锁，其实是相对耗费资源的，这种情况可以适当放宽加锁的范围，减少性能消耗。

当JIT发现一系列连续的操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作出现在循环体中的时候，会将加锁同步的范围扩散（粗化）到整个操作序列的外部。

如以下代码：

for(int i=0;i<100000;i++){  synchronized(this){  do();
}

会被粗化成：

synchronized(this){  for(int i=0;i<100000;i++){  do();
}

等待唤醒机制与synchronize

所谓等待唤醒机制本篇主要指的是notify/notifyAll和wait方法，在使用这3个方法时，必须处于synchronized代码块或者synchronized方法中，否则就会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器monitor对象，也就是说notify/notifyAll和wait方法依赖于monitor对象，在前面的分析中，我们知道monitor 存在于对象头的Mark Word 中(存储monitor引用指针)，而synchronized关键字可以获取 monitor ，这也就是为什么notify/notifyAll和wait方法必须在synchronized代码块或者synchronized方法调用的原因。

4. Lock

Lock是Java 5之后，在java.util.concurrent.locks包下提供的另外一种实现同步访问的方式。

既然都可以通过synchronized来实现同步访问了，那么为什么还需要提供Lock？

synchronized的缺陷

　　synchronized是java中的一个关键字，也就是说是Java语言内置的特性。那么为什么会出现Lock呢？

　　在上面一篇文章中，我们了解到如果一个代码块被synchronized修饰了，当一个线程获取了对应的锁，并执行该代码块时，其他线程便只能一直等待，等待获取锁的线程释放锁，而这里获取锁的线程释放锁只会有两种情况：

　　1）获取锁的线程执行完了该代码块，然后线程释放对锁的占有；

　　2）线程执行发生异常，此时JVM会让线程自动释放锁。

　　那么如果这个获取锁的线程由于要等待IO或者其他原因（比如调用sleep方法）被阻塞了，但是又没有释放锁，其他线程便只能干巴巴地等待，试想一下，这多么影响程序执行效率。

　　因此就需要有一种机制可以不让等待的线程一直无期限地等待下去（比如只等待一定的时间或者能够响应中断），通过Lock就可以办到。

　　再举个例子：当有多个线程读写文件时，读操作和写操作会发生冲突现象，写操作和写操作会发生冲突现象，但是读操作和读操作不会发生冲突现象。

　　但是采用synchronized关键字来实现同步的话，就会导致一个问题：

　　如果多个线程都只是进行读操作，所以当一个线程在进行读操作时，其他线程只能等待无法进行读操作。

　　因此就需要一种机制来使得多个线程都只是进行读操作时，线程之间不会发生冲突，通过Lock就可以办到。

　　另外，通过Lock可以知道线程有没有成功获取到锁。这个是synchronized无法办到的。

　　总结一下，也就是说Lock提供了比synchronized更多的功能。但是要注意以下几点：

　　1）Lock不是Java语言内置的，synchronized是Java语言的关键字，因此是内置特性。Lock是一个类，通过这个类可以实现同步访问；

　　2）Lock和synchronized有一点非常大的不同，采用synchronized不需要用户去手动释放锁，当synchronized方法或者synchronized代码块执行完之后，系统会自动让线程释放对锁的占用；而Lock则必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。

4.1 Lock

　　首先要说明的就是Lock，通过查看Lock的源码可知，Lock是一个接口：


public interface Lock {void lock();void lockInterruptibly() throws InterruptedException;boolean tryLock();boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;void unlock();Condition newCondition();}

　　下面来逐个讲述Lock接口中每个方法的使用，lock()、tryLock()、tryLock(long time, TimeUnit unit)和lockInterruptibly()是用来获取锁的。unLock()方法是用来释放锁的。newCondition()这个方法暂且不在此讲述，会在后面的线程协作一文中讲述。

　　在Lock中声明了四个方法来获取锁，那么这四个方法有何区别呢？

　　首先lock()方法是平常使用得最多的一个方法，就是用来获取锁。如果锁已被其他线程获取，则进行等待。

　　由于在前面讲到如果采用Lock，必须主动去释放锁，并且在发生异常时，不会自动释放锁。因此一般来说，使用Lock必须在try{}catch{}块中进行，并且将释放锁的操作放在finally块中进行，以保证锁一定被被释放，防止死锁的发生。通常使用Lock来进行同步的话，是以下面这种形式去使用的：

Lock lock = ...;
lock.lock();
try{//处理任务
}catch(Exception ex){}finally{lock.unlock();   //释放锁
}

tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true，如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就说这个方法无论如何都会立即返回。在拿不到锁时不会一直在那等待。

　　tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false。如果如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。

　　所以，一般情况下通过tryLock来获取锁时是这样使用的：

Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {try{//处理任务}catch(Exception ex){}finally{lock.unlock();   //释放锁}
}else {//如果不能获取锁，则直接做其他事情
}

lockInterruptibly()方法比较特殊，当通过这个方法去获取锁时，如果线程正在等待获取锁，则这个线程能够响应中断，即中断线程的等待状态。也就使说，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。

　　由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出InterruptedException。

　　因此lockInterruptibly()一般的使用形式如下：

public void method() throws InterruptedException {lock.lockInterruptibly();try {  //.....}finally {lock.unlock();}
}

　　注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。因为本身在前面的文章中讲过单独调用interrupt()方法不能中断正在运行过程中的线程，只能中断阻塞过程中的线程。

　　因此当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，只有进行等待的情况下，是可以响应中断的。

　　而用synchronized修饰的话，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。

4.2 ReentrantLock

ReentrantLock，意思是“可重入锁”，关于可重入锁的概念在下一节讲述。ReentrantLock是唯一实现了Lock接口的类，并且ReentrantLock提供了更多的方法。

介绍这玩意之前，有必要先介绍AQS（AbstractQueuedSynchronizer）。

AQS：也就是队列同步器，这是实现 ReentrantLock 的基础。

AQS 有一个 state 标记位，值为1 时表示有线程占用，其他线程需要进入到同步队列等待，同步队列是一个双向链表。

当获得锁的线程需要等待某个条件时，会进入 condition 的等待队列，等待队列可以有多个。

当 condition 条件满足时，线程会从等待队列重新进入同步队列进行获取锁的竞争。

ReentrantLock 就是基于 AQS 实现的，如下图所示，ReentrantLock 内部有公平锁和非公平锁两种实现，差别就在于新来的线程是否比已经在同步队列中的等待线程更早获得锁。

public class ReentrantLock implements Lock, java.io.Serializable {private final Sync sync;abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {abstract void lock();final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {}}static final class NonfairSync extends Sync {private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;final void lock() {if (compareAndSetState(0, 1))setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());elseacquire(1);}protected final boolean tryAcquire(int acquires) {return nonfairTryAcquire(acquires);}}static final class FairSync extends Sync {private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;final void lock() {acquire(1);}protected final boolean tryAcquire(int acquires) {final Thread current = Thread.currentThread();int c = getState();if (c == 0) {if (!hasQueuedPredecessors() &&compareAndSetState(0, acquires)) {setExclusiveOwnerThread(current);return true;}}else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {int nextc = c + acquires;if (nextc < 0)throw new Error("Maximum lock count exceeded");setState(nextc);return true;}return false;}}public void lock() {sync.lock();}
}

从图中可以看到，ReentrantLock里面有一个内部类Sync，Sync继承AQS（AbstractQueuedSynchronizer），添加锁和释放锁的大部分操作实际上都是在Sync中实现的。

它有公平锁FairSync和非公平锁NonfairSync两个子类。

公平锁即尽量以请求锁的顺序来获取锁。比如同是有多个线程在等待一个锁，当这个锁被释放时，等待时间最久的线程（最先请求的线程）会获得该所，这种就是公平锁。

非公平锁即无法保证锁的获取是按照请求锁的顺序进行的。这样就可能导致某个或者一些线程永远获取不到锁。在Java中，synchronized就是非公平锁，它无法保证等待的线程获取锁的顺序。

ReentrantLock默认使用非公平锁，也可以通过构造器来显示的指定使用公平锁。

4.3.ReadWriteLock

ReadWriteLock也是一个接口，在它里面只定义了两个方法：

public interface ReadWriteLock {/*** Returns the lock used for reading.** @return the lock used for reading.*/Lock readLock();/*** Returns the lock used for writing.** @return the lock used for writing.*/Lock writeLock();
}

一个用来获取读锁，一个用来获取写锁。也就是说将文件的读写操作分开，分成2个锁来分配给线程，从而使得多个线程可以同时进行读操作。下面的ReentrantReadWriteLock实现了ReadWriteLock接口。

4.4 ReentrantReadWriteLock

　　ReentrantReadWriteLock是ReadWriteLock的实现类。多线程使用读锁可以同时进行读操作，这样就大大提升了读操作的效率。

　　不过要注意的是，如果有一个线程已经占用了读锁，则此时其他线程如果要申请写锁，则申请写锁的线程会一直等待释放读锁。

　　如果有一个线程已经占用了写锁，则此时其他线程如果申请写锁或者读锁，则申请的线程会一直等待释放写锁。

4.5 Lock和synchronized的选择

　　总结来说，Lock和synchronized有以下几点不同：

　　1）Lock是一个接口，而synchronized是Java中的关键字，synchronized是内置的语言实现；

　　2）synchronized在发生异常时，会自动释放线程占有的锁，因此不会导致死锁现象发生；而Lock在发生异常时，如果没有主动通过unLock()去释放锁，则很可能造成死锁现象，因此使用Lock时需要在finally块中释放锁；

　　3）Lock可以让等待锁的线程响应中断，而synchronized却不行，使用synchronized时，等待的线程会一直等待下去，不能够响应中断；

　　4）通过Lock可以知道有没有成功获取锁，而synchronized却无法办到。

　　5）Lock可以提高多个线程进行读操作的效率。

　　在性能上来说，synchronized经过不断的优化，已经不是完全的重量级锁了，两者的性能是差不多的，所以说，在具体使用时要根据适当情况选择。

5 .ThreadLocal

ThreadLocal的原理与使用