synchronized的原理和Callable接口

♫synchronized原理

♪锁升级

♪锁优化

♫Callable接口

♫synchronized原理

我们知道synchronized锁可以控制多个线程对共享资源的访问，两个线程针对同一变量访问就会产生阻塞等待。而synchronized锁并不是一成不变的，它会根据情况进行一次升级。

♪锁升级

JVM 将synchronized锁分为无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁四种状态。

♩偏向锁

第一个尝试加锁的线程就会优先进入偏向锁状态。偏向锁并不是真正的加锁，只是给线程一个偏向锁的标记，如果一直没有其他线程尝试加锁，则等到synchronized执行完取消偏向锁标记即可，如果有其他线程尝试加锁，则再真在进行加锁，让其它线程进入阻塞等待。（类似前面介绍过的懒汉模式，能不加锁则不加）

举个例子：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。

♩轻量级锁

当有其他线程尝试加锁，偏向锁状态就被消除，进入了轻量级锁状态 ( 自适应的自旋锁 )。这里的轻量级锁就是通过CAS实现的自旋锁，由于自旋锁需占用CPU不断尝试加锁，如果一直自旋会很浪费CPU资源，故synchronized会通过一个计数器，记录自旋次数，一定超出某个阈值就不再自旋。

♩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 , 就会转换为重量级锁。这里的重量级锁就是使用OS提供的 mutex 锁，此时其它线程尝试加锁就是在内核态来判断锁是否被占用，如果没被占用则返回用户态，否则就进入等待队列，等待操作系统唤醒

♪锁优化

♩锁消除

锁消除是指编译器自动判断程序中某些代码块不需要同步保护，因而消除这些代码块中的锁，从而提高程序的执行效率。

锁消除的主要依据是：如果程序中某些代码块不会被多个线程同时访问，那么这些代码块中的锁就可以被消除，因为不需要花费额外的时间来进行同步操作。

如：StringBuffer的关键方法都带有synchronized，但如果只是在单线程中执行这写方法, 那么这些加锁操作是没有必要的，此时编译器就会把加锁操作去掉。

♩锁粗化

锁粗化是指将多个连续的细粒度锁（synchronized包含的代码块较少）合并为一个粗粒度锁（synchronized包含的代码块较多），以减少锁竞争带来的性能开销。

实际开发过程中，使用细粒度锁，是期望释放锁的时候其他线程能使用锁。但是实际上可能并没有其他线程来抢占这个锁。这种情况 JVM 就会自动把锁粗化，避免频繁申请释放锁。

举个例子：

张三要打电话向老师问三个问题，打一次电话问一个问题，连续打了三次电话。锁优化相当于张三打一次电话就把三个问题一起问了。

♫Callable接口

Callable 是一个 interface，与 Runnable 类似，也是用来描述一个任务，不同的是 Runnable 描述的任务没有返回值，而 Callable 描述的任务有返回值。如果需要一个线程单独计算出某结果，Callable是比较合适的。

如：创建线程计算 1 + 2 + 3 + ... + 1000，不使用 Callable 版本：
①.创建一个类 Result，包含一个 sum 表示最终结果， lock 表示线程同步使用的锁对象。

②.main 方法中先创建 Result 实例，然后创建一个 Runable，在 Runnable 里计算1 + 2 + 3 + ... + 1000，将 Runnable 传入线程 thread。

③.主线程同时使用 wait 等待线程 thread 计算结束。 ( 注意：如果执行到 wait 之前，线程 thread 已经计算完了，就不必等待了)。

④.当线程 thread 计算完毕后，通过 notify 唤醒主线程，主线程再打印结果。
public class Test {
    static class Result {
        public int num = 0;
        public Object lock = new Object();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Result result = new Result();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int num = 0;
                for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
                    num += i;
                }
                synchronized (result.lock) {
                    result.num = num;
                    result.lock.notify();
                }
            }
        };
        Thread thread = new Thread(runnable);
        thread.start();
        synchronized (result.lock) {
            while (result.num == 0) {
                result.lock.wait();
            }
            System.out.println(result.num);
        }
    }
}
可以看到, 上述代码需要一个辅助类 Result, 还需要使用一系列的加锁和 wait notify 操作, 代码复杂，容易出错。
创建线程计算 1 + 2 + 3 + ... + 1000, 使用 Callable 版本：

①.创建一个匿名内部类，实现 Callable 接口， Callable 带有泛型参数，泛型参数表示返回值的类型。

②.重写 Callable 的 call 方法，完成累加的过程，直接通过返回值返回计算结果。

③.把 callable 实例使用 FutureTask 包装一下。

④.创建线程 , 线程的构造方法传入 FutureTask . 此时新线程就会执行 FutureTask 内部的 Callable 的 call 方法，完成计算，计算结果就放到了 FutureTask 对象中。

⑤.在主线程中调用 futureTask.get() 能够阻塞等待新线程计算完毕，并获取到 FutureTask 中的结果。
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
            @Override
            public Integer call() throws Exception {
                int sum = 0;
                for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
                    sum += i;
                }
                return sum;
            }
        };
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start();
        int result = futureTask.get();
        System.out.println(result);
    }
}
可以看到, 使用 Callable 和 FutureTask 之后, 代码简化了很多, 也不必手动写线程同步代码了。

注：
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。