并发编程之synchronized关键字

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一个对象是否安全取决于它是否被多个线程访问(访问是访问对象的方式)。要使对象线程安全,需要采用同步的机制来协同对对象可变状态的访问。(java这边采用synchronized,其他还有volatile类型的变量,显式锁以及原子变量)

1. synchronized 理解

1.1 synchronized 特性

synchronized的底层是使用操作系统的mutex lock实现的。

  • 内存可见性:同步快的可见性是由“如果对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值”、“对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store和write操作)”这两条规则获得的。
  • 操作原子性:持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入

1.2 锁的内存语义

  • 当线程释放锁时,JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中
  • 当线程获取锁时,JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量

1.3 synchronized 锁的使用

## 对象实例
public synchronized void method() {}
synchronized (this) {}

## 全局类锁
public static synchronized void method() {}
synchronized (Lock.class) {}

## 静态变量 也属于全局唯一
public static Object monitor = new Object(); 
synchronized (monitor) {}

2. synchronized锁的原理

2.1 synchronized 底层实现

synchronized 的底层实现主要区分:方法和代码块

public class DemoSynchronized01 {
    private static final Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        // 锁作用于代码块
        synchronized (lock) {
            System.out.println("hello word");
        }
    }

    // 锁作用于方法
    public synchronized void test() {
        System.out.println("test");
    }
}

将该代码进行编译后,查看其字节码,核心代码如下:

mac@wxw synchronize % javap -c DemoSynchronized.class 
Compiled from "DemoSynchronized.java"
public class com.wxw.juc.synchronize.DemoSynchronized {
  public static int race;

  public com.wxw.juc.synchronize.DemoSynchronized();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.InterruptedException;
    Code:
       0: iconst_0
       1: istore_1
       2: iload_1
       3: iconst_2
       4: if_icmpge     28
       7: new           #2                  // class java/lang/Thread
      10: dup
      11: invokedynamic #3,  0              // InvokeDynamic #0:run:()Ljava/lang/Runnable;
      16: invokespecial #4                  // Method java/lang/Thread."<init>":(Ljava/lang/Runnable;)V
      19: invokevirtual #5                  // Method java/lang/Thread.start:()V
      22: iinc          1, 1
      25: goto          2
      28: getstatic     #6                  // Field countDownLatch:Ljava/util/concurrent/CountDownLatch;
      31: invokevirtual #7                  // Method java/util/concurrent/CountDownLatch.await:()V
      34: getstatic     #8                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      37: getstatic     #9                  // Field race:I
      40: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      43: return

  static {};
    Code:
       0: iconst_0
       1: putstatic     #9                  // Field race:I
       4: new           #13                 // class java/util/concurrent/CountDownLatch
       7: dup
       8: iconst_2
       9: invokespecial #14                 // Method java/util/concurrent/CountDownLatch."<init>":(I)V
      12: putstatic     #6                  // Field countDownLatch:Ljava/util/concurrent/CountDownLatch;
      15: return
}

通过反编译后代码可以看出:对于同步方法,JVM采用ACC_SYNCHRONIZED标记符来实现同步。 对于同步代码块。JVM采用monitorenter、monitorexit两个指令来实现同步。

synchronized 修饰代码块

同步代码块使用monitorenter和monitorexit两个指令实现。可以把执行monitorenter指令理解为加锁,执行monitorexit理解为释放锁。 每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为0,当一个线程获得锁(执行monitorenter)后,该计数器自增变为 1 ,当同一个线程再次获得该对象的锁的时候,计数器再次自增。当同一个线程释放锁(执行monitorexit指令)的时候,计数器再自减。当计数器为0的时候。锁将被释放,其他线程便可以获得锁。

synchronized 修饰方法

方法级的同步是隐式的。同步方法的常量池中会有一个ACC_SYNCHRONIZED标志。当某个线程要访问某个方法的时候,会检查是否有ACC_SYNCHRONIZED,如果有设置,则需要先获得监视器锁,然后开始执行方法,方法执行之后再释放监视器锁。这时如果其他线程来请求执行方法,会因为无法获得监视器锁而被阻断住。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。

无论是ACC_SYNCHRONIZED还是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor实现的,在Java虚拟机(HotSpot)中,Monitor是基于C++实现的,由ObjectMonitor实现。

ObjectMonitor类中提供了几个方法,如enter、exit、wait、notify、notifyAll等。sychronized加锁的时候,会调用objectMonitor的enter方法,解锁的时候会调用exit方法。事实上,只有在JDK1.6之前,synchronized的实现才会直接调用ObjectMonitor的enter和exit,这种锁被称之为重量级锁。为什么说这种方式操作锁很重呢?

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核心态,因此状态转换需要花费很多的处理器时间,对于代码简单的同步块(如被synchronized修饰的get 或set方法)状态转换消耗的时间有可能比用户代码执行的时间还要长,所以说synchronized是java语言中一个重量级的操纵。

所以,在JDK1.6中出现对锁进行了很多的优化,进而出现轻量级锁,偏向锁,锁消除,适应性自旋锁,锁粗化(自旋锁在1.4就有 只不过默认的是关闭的,jdk1.6是默认开启的),这些操作都是为了在线程之间更高效的共享数据,解决竞争问题。

2.2 锁消除

锁消除是指虚拟机即时编译器在运行时,对一些代码上要求同步,但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行消除。锁消除的主要判定依据来源于逃逸分析的数据支持,如果判断在一段代码中,堆上的所有数据都不会逃逸出去从而被其他线程访问到,那就可以把它们当做栈上数据对待,认为它们是线程私有的,同步加锁自然就无须进行。

JIT 编译时,对运行上下文进行扫描,去除不可能存在竞争的锁

也许读者会有疑问,变量是否逃逸,对于虚拟机来说需要使用数据流分析来确定,但是程序员自己所该是很清楚的,怎么会在明知道不存在数据争用的情况下要求同步呢?答案是有许多同步措施并不是程序员自己加入的,同步的代码在Java程序中的普遍程度也许超过了 大部分读者的想象。我们来看看下面代码中的例子,这段非常简单的代码仅仅是输出 3 个字符串相加的结果,无论是源码字面上还是程序语义上都没有同步。 image.png

我们也知道,由于 String 是一个不可变的类,对字符串的连接操作总是通过生成新的String 对象来进行的,因此 Javac 编译器会对 String 连接做自动优化。在 JDK 1.5 之前,会转化为 StringBuffer 对象的连续 append()操作,在JDK 1.5及以后的版本中,会转化为 StringBuilder 对象的连续 append()操作,上述代码可能会变成下面的样子。 image.png 现在大家还认为这段代码没有涉及同步吗?每个StringBuffer.append() 方法中都有一个同步块,锁就是 sb 对象。虚拟机观察变量sb,很快就会发现它的动态作用域被限制在 concatString() 方法内部。也就是说,sb 的所有引用永远不会 “逃逸” 到 concatString()方法之外,其他线程无法访问到它,因此,虽然这里有锁,但是可以被安全地消除掉,在即时编译之后,这段代码就会忽略掉所有的同步而直接执行了。

2.3 锁粗化

极端情况下,通过扩大加锁的范围,避免反复加锁和解锁

原则上,我们在编写代码的时候,总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小,只在共享数据的实际作用域中才进行同步,这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小,如果存在锁竞争,那等待锁的线程也能尽快拿到锁。

大部分情况下,上面的原则都是正确的,但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁,甚至加锁操作是出现在循环体中的,那即使没有线程竞争,频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。 image.png

上述代码中连续的append()方法就属于这类情况。如果虚拟机探测到有这样一串零碎的操作都对同一个对象加锁,将会把加锁同步的范围扩展 (粗化)到整个操作序列的外部,以上述代码为例,就是扩展到append()操作外部,也就是把while循环加锁,这样只需要加锁一次就可以了。

2.4 监视器对象(ObjectMonitor)

synchronized 底层对应的 JVM 模型为 objectMonitor,使用了3个双向链表来存放被阻塞的线程:_cxq(Contention queue)、_EntryList(EntryList)、_WaitSet(WaitSet)

当线程获取锁失败进入阻塞后,首先会被加入到 _cxq 链表,_cxq 链表的节点会在某个时刻被进一步转移到 _EntryList 链表。

当持有锁的线程释放锁后,_EntryList 链表头结点的线程会被唤醒,该线程称为 successor(假定继承者),然后该线程会尝试抢占锁。

当我们调用 wait() 时,线程会被放入 _WaitSet,直到调用了 notify()/notifyAll() 后,线程才被重新放入 _cxq 或 _EntryList,默认放入 _cxq 链表头部。

objectMonitor 的整体流程如下图: image.png

3. 锁升级过程

3.1 偏向锁

偏向锁减少了统一线程获取锁的代价

大多数情况下,锁不存在多线程竞争,总是由同一线程多次获得

核心思想 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,当该线程再次请求锁时,无需再做任何同步操作,即获取锁的过程只需要检查 Mark Word 的锁标记位为偏向锁01,以及当前线程Id等于Mark Word 的ThreadID即可,这样就省去了大量有关锁申请的操作。

不适用于锁竞争比较激烈的多线程场合

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。

偏向锁的目的是消除数据在无竞争情况下的同步原语,进一步提高程序的运行性能。如果说轻量级锁是在无竞争的情况下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量,那偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉,连 CAS 操作都不做了。

假设当前虚拟机启用了偏向(启用参数-XX:+UseBiasedLocking,这是 JDK 1.6 的默认值),那么,当锁对象第一次被线程获取的时候,虚拟机将会把对象头中的标志位设为 “01 ”,即偏向模式。同时使用 CAS 操作把获取到这个锁的线程的 ID记录在对象的 Mark Word 之中,如果 CAS 操作成功,持有偏向锁的钱程以后每次进入这个锁相关的同步块时,虚拟机都可以不再进行任何同步操作(例如 Locking 、Unlocking 及对 Mark Word的Update 等)。

当有另外一个线程去尝试获取这个锁时,偏向模式就宣告结束。根据锁对象目前是否处于被锁定的状态,撤销偏向(Revoke Bias)后恢复到未锁定(标志位为“01”) 或轻量级锁定(标志位为 “00”)的状态,后续的同步操作就如上面介绍的轻量级锁那样执行。偏向锁、 轻量级锁的状态转化及对象 Mark Word 的关系如图所示。

image.png

同步但无竞争的程序性能。它同样是一个带有效益权衡(Trade Off)性质的优化,也就是说,它并不一定总是对程序运行有利,如果程序中大多数的锁总是被多个不同的线程访问,那偏向模式就是多余的。在具体问题具体分析的前提下,有时候使用参数XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提升性能。

加锁流程

  • 从当前线程的栈帧中寻找一个空闲的 Lock Record,将 obj 属性指向当前锁对象
  • 获取偏向锁时,会先进行各种判断,如加锁流程图所示,最终只有两种场景能尝试获取锁:匿名偏向、批量重偏向。
  • 使用 CAS 尝试将自己的线程 ID 填充到锁对象 markword 里,修改成功则获取到锁
  • 如果不是步骤1的两种场景,或者 CAS 修改失败,则会撤销偏向锁,并升级为轻量级锁
  • 如果线程成功获取偏向锁,之后每次进入该同步块时,只需要简单的判断锁对象 markword 里的线程ID是否自己,如果是则直接进入,几乎没有额外开销。

解锁流程:

  • 偏向锁的解锁很简单,就是将 obj 属性赋值为 null,这边很重要的点是不会将锁对象 markword 的线程ID还原回0。
  • 偏向锁流程中,markword 的状态变化如下图所示: image.png

3.2 轻量级锁流程

轻量级锁是由偏向锁升级来的,偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下,当第二个线程加入锁争用的时候,偏向锁就会升级会轻量级锁。

  • 适用场景:线程交替执行同步块 若出现在同一时间(多个线程)访问同一个锁的情况,就会导致轻量级膨胀为重量级锁

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。

加锁流程 在代码进入同步块的时候,如果此同步对象没有被锁定(锁标志位为“01”状态),虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录(Lock Record)的空间,用于存储锁对象目前的 Mark Word 的拷贝 (官方把这份拷贝加了一个 Displaced 前辙,即Displaced Mark Word )。

然后,虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针。如果这个更新动作成功了,那么这个线程就拥有了该对象的锁,并且对象 Mark Word 的锁标志位(Mark Word 的最后 2bit )将转变为 “00”,即表示此对象处于轻量级锁定状态,这时候线程堆栈与对象头的状态如图所示。 image.png 解锁流程:

  • 将 obj 属性赋值为 null
  • 使用 CAS 将 displaced_header 属性暂存的 displaced mark word 还原回锁对象的 markword。

3.3 重量级锁流程

如果这个更新操作(轻量级锁)失败了,虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧,如果是说明当前线程已经拥有了这个对象的锁,那就可以直接进入同步块继续执行,否则说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。如果有两条以上的线程争用同一个锁,那轻量级锁就不再有效,要膨胀为重量级锁,锁标志的状态值变为“10”,Mark Word 中存储的就是指向重量级锁(互斥量)的指针,后而等待锁的线程也要进入阻塞状态。

上而描述的是轻量级锁的加锁过程,它的解锁过程也是通过CAS操作来进行的,如果对象的 Mark Word 仍然指向着线程的锁记录,那就用 CAS 操作把对象当前的 Mark Word 和 线程中复制的 Displaced Mark Word 替换回来,如果替换成功,越个同步过程就完成了。如果替换失败,说明有其他线程尝试过获取该锁,那就要在释放锁的同时,唤醒被挂起的线程。

轻量级锁能提升程序同步性能的依据是“对于绝大部分的锁,在整个同步周期内都是不存在竞争的”,这是一个经验数据。如果没有竞争,轻量级锁使用 CAS 操作避免了使用互斥量的开销,但如果存在锁竞争,除了互斥量的开销外,还额外发生了 CAS 操作,因此在有竞争的情况下,轻量级锁会比传统的重量级锁更慢。

加锁流程: 当轻量级锁出现竞争时,会膨胀成重量级锁。

  • 分配一个 ObjectMonitor,并填充相关属性
  • 将锁对象的 markword 修改为:该 ObjctMonitor 地址 + 重量级锁标记位(10)
  • 尝试获取锁,如果失败了则尝试自旋获取锁
  • 如果多次尝试后还是失败,则将该线程封装成 ObjectWaiter,插入到 cxq 链表中,当前线程进入阻塞状态
  • 当其他锁释放时,会唤醒链表中的节点,被唤醒的节点会再次尝试获取锁,获取成功后,将自己从 cxq(EntryList)链表中移除此时的线程栈、锁对象、ObjectMonitor 之间的关系如下图所示: image.png 解锁流程:
  • 将重入计数器-1,ObjectMonitor 里的 _recursions 属性。
  • 先释放锁,将锁的持有者 owner 属性赋值为 null,此时其他线程已经可以获取到锁,例如自旋的线程。
  • 从 EntryList 或 cxq 链表中唤醒下一个线程节点。

3.4 小总结

  • 只有一个线程进入临界区:偏向锁
  • 多个线程交替进入临界区:轻量级锁
  • 多线程同时进入临界区:重量级锁

升级过程 image.png 偏向锁: 指的是JVM认为只有某个线程才会执行同步代码(没有竞争环境),所以在Mark Word 会直接记录线程ID,只要线程进来执行代码了,会比对线程ID判断是否相等,相等则当前线程获取得到锁,执行同步代码。如果线程ID不相等,则用CAS尝试来修改当前线程ID,如果CAS修改成功,那还是能获取得到锁,执行同步代码

如果CAS失败了,说明有竞争环境,此时会对偏向锁撤销,升级为轻量级锁,在轻量级锁的状态下,当前线程会在栈帧下创建Lock Record, Lock Record 会把Mark Word 的信息拷贝进去,且有Owner 指针指向加锁对象,线程执行同步代码时,则用CAS视图将Mark Word 指向到Lock Record,假设CAS修改成功,则获取得到轻量级锁。

假设CAS失败,则适应性自旋(重试),自旋一定次数后,还是CAS失败,则升级为重量级锁

4. 总结

4.1 synchronised和reentrantlock的区别

  • 底层实现:synchronized 是 Java 中的关键字,是 JVM 层面的锁;ReentrantLock 是 JDK 层次的锁实现。

  • 是否需要手动释放:synchronized 不需要手动获取锁和释放锁,在发生异常时,会自动释放锁,因此不会导致死锁现象发生;ReentrantLock 在发生异常时,如果没有主动通过 unLock() 去释放锁,很可能会造成死锁现象,因此使用 ReentrantLock 时需要在 finally 块中释放锁。

  • 锁的公平性:synchronized 是非公平锁;ReentrantLock 默认是非公平锁,但是可以通过参数选择公平锁。

  • 是否可中断:synchronized 是不可被中断的;ReentrantLock 则可以被中断。

  • 灵活性:使用 synchronized 时,等待的线程会一直等待下去,直到获取到锁;ReentrantLock 的使用更加灵活,有立即返回是否成功的,有响应中断、有超时时间等。

  • 性能上:随着近些年 synchronized 的不断优化,ReentrantLock 和 synchronized 在性能上已经没有很明显的差距了,所以性能不应该成为我们选择两者的主要原因。官方推荐尽量使用 synchronized,除非 synchronized 无法满足需求时,则可以使用 Lock。

  • synchronized 关键字结合 wait() 和 notify()/notifyAll() 方法使用,可以实现等待/通知机制,

  • ReentrantLock 类则需要借助于 Condition 接口与 newCondition() 方法。

Condition 是 JDK1.5 之后才有的,它具有很好的灵活性,比如可以实现多路通知功能,也就是在一个 Lock 对象中可以创建多个 Condition 实例(即对象监视器),线程对象可以注册在指定的 Condition 中,从而可以有选择性的进行线程通知,在调度线程上更加灵活。 在使用 notify()/notifyAll() 方法进行通知时,被通知的线程是由 JVM 选择的。而 synchronized 关键字就相当于整个 Lock 对象中只有一个 Condition 实例,所有的线程都注册在它一个身上。如果执行 notifyAll() 方法的话,就会通知所有处于等待状态的线程,这样会造成很大的效率问题,而 Condition 实例的 signalAll() 方法只会唤醒注册在该 Condition 实例中的所有等待线程。

增加的新特点: ① 等待可中断;② 可实现公平锁;③ 可实现选择性通知(锁可以绑定多个条件):

4.2 自旋锁和适应性自旋锁

(1)自旋锁

前面我们讨论互斥同步的时候,提到了互斥同步对性能最大的影响是阻塞的实现,挂起线程和恢复线程的操作都需要转入内核态中完成,这些操作给系统的并发性能带来了很大的压力。同时,虚拟机的开发团队也注意到在许多应用上,共享数据的锁定状态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并不值得。如果物理机器有一个以上的处理器,能让两个或以上的线程同时并行执行,我们就可以让后面请求锁的那个线程“稍等一 下”,但不放弃处理器的执行时间,看看持有锁的线程是否很快就会释放锁。为了让线程等待,我们只需让线程执行一个忙循环(自旋),这项技术就是所谓的自旋锁。

自旋锁就是让某线程进入已被其它线程占用的同步代码时循环等待,避免阻塞唤醒导致上下文切换开销。

  • 优点
    • 许多情况下,共享数据的锁定状态持续时间较短,切换线程不值得
    • 通过让线程执行忙循环 来等待锁的释放,从而不让出CPU,避免导致上下文切换开销
  • 缺点
    • 若锁被其它线程长时间占用,会带来许多性能上的开销

自旋锁在JDK 1.4.2中就已经引入,只不过默认是关闭的,可以使用 :XX:+UseSpinning 参数来开启,在JDK 1.6 中就已经改为默认开启了。自旋等待不能代替阻塞,且先不说对处理器数量的要求,自旋等待本身虽然避免了线程切换的开销,但它是要占用处理器时间的,因此,如果锁被占用的时间很短,自旋等待的效果就会非常好,反之,如果锁被占用的时间很长,那么自旋的线程只会白白消耗处理器资源,而不会做任何有用的工作,反而会带来性能上的浪费。因此,自旋等待的时间必须要有一定的限度,如果自旋超过了限定的次数仍然没有成功获得锁,就应当使用传统的方式去挂起线程了。自旋次数的默认值是 10 次,用户可以使用参数-XX:PreBlockSpin 来更改。

(2)适应性自旋锁

  • 自适应意味着自旋的时间(次数)不再固定
  • 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,那在以后尝试获取这个锁时将可能省略掉自旋过程,直接阻塞线程,避免浪费处理器资源。 比如自旋锁:

4.3 synchronized 锁能降级

可以的,具体的触发时机:在全局安全点(safepoint)中,执行清理任务的时候会触发尝试降级锁。 当锁降级时,主要进行了以下操作:

  • 恢复锁对象的 markword 对象头
  • 重置 ObjectMonitor,然后将该 ObjectMonitor 放入全局空闲列表,等待后续使用。

参考

  1. 全网最硬核的 synchronized 面试题深度解析
  2. synchronized 锁