一、基礎(chǔ)概念
1、鎖定義
如果某一個資源被多個線程共享，為了避免因?yàn)橘Y源搶占導(dǎo)致資源數(shù)據(jù)錯亂，我們需要對線程進(jìn)行同步，那么synchronized就是實(shí)現(xiàn)線程同步的關(guān)鍵字。
2、鎖特性(線程3要素(除可重復(fù)性))
- 原子性：一個操作要么全部發(fā)生，要么全部不發(fā)生，i++不具備原子性。
- 可見性：加鎖，釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當(dāng)中，或直接操作主存。
- 有序性：有序性指程序執(zhí)行的順序按照代碼先后執(zhí)行。
- 可重復(fù)性：一個線程擁有了鎖仍然還可以重復(fù)申請?jiān)撴i。
3、鎖類型
synchronized可以修飾方法、代碼塊，但是歸根結(jié)底它上鎖的資源只有兩類：一個是對象，一個是類
類上鎖：同步塊、靜態(tài)方法
對象上鎖：同步塊、成員方法
二、鎖實(shí)現(xiàn)原理
1、測試類
/**
* 歸根結(jié)底它上鎖的資源只有兩類：一個是對象，一個是類。
*/
public class SynchronizedTest {
public static int i=0;
SynchronizedTest test = new SynchronizedTest();
/**
* 對成員函數(shù)加鎖，必須獲得該類的實(shí)例對象的鎖才能進(jìn)入同步塊
*/
public synchronized void test1() {
i++;
}
/**
* 對靜態(tài)方法加鎖，必須獲得該類的鎖才能進(jìn)入同步塊，本文暫不關(guān)注該方法
*/
public static synchronized void test2() {
System.out.println("Hello static test2");
}
public void test3() {
/**
* 必須獲得類鎖
*/
synchronized(SynchronizedTest.class) {
System.out.println("Hello test3");
}
/**
* 必須獲得對象鎖, 本文暫不關(guān)注該代碼塊
*/
synchronized(test) {
System.out.println("Hello test3-2");
}
}
}
2、查看字節(jié)碼文件
// 編譯生成字節(jié)碼文件
javac SynchronizedTest.java
// 反編譯查看字節(jié)碼文件
javap -verbose SynchronizedTest.class
3、同步塊的實(shí)現(xiàn)
由monitorenter指令進(jìn)入，然后monitorexit釋放鎖，在執(zhí)行monitorenter之前需要嘗試獲取鎖，如果這個對象沒有被鎖定，或者當(dāng)前線程已經(jīng)擁有了這個對象的鎖，那么就把鎖的計(jì)數(shù)器加1。當(dāng)執(zhí)行monitorexit指令時，鎖的計(jì)數(shù)器也會減1。
4、同步方法
flags里面多了一個ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)志，這標(biāo)志用來告訴JVM這是一個同步方法，在進(jìn)入該方法之前先獲取相應(yīng)的鎖，鎖的計(jì)數(shù)器加1，方法結(jié)束后計(jì)數(shù)器-1，如果獲取失敗就阻塞住，直到該鎖被釋放。
三、鎖底層實(shí)現(xiàn)原理
鎖存放在對象頭的Mark Word區(qū)域中。
鎖總共四個狀態(tài)：無鎖狀態(tài)、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖，其中無鎖就是一種狀態(tài)了。鎖的類型和狀態(tài)在對象頭Mark Word中都有記錄。
每個對象都存在著一個monitor與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)線程試圖獲取對象鎖時自動生成，但當(dāng)一個monitor被某個線程持有后，它便處于鎖定狀態(tài)，Mark Word會記錄鎖定狀態(tài)和線程id，monitor中的_owner標(biāo)志會指向持有monitor的線程同時monitor中的計(jì)數(shù)器count加1。
總結(jié)：
對象頭有Mark Word區(qū)域，當(dāng)線程視圖獲取對象鎖的時候，會生成一個monitor與對象關(guān)聯(lián)。線程獲取鎖其實(shí)就是獲取對象的monitor；當(dāng)一個monitor被線程持有以后，monitor中的_owner標(biāo)志會指向持有monitor的線程，同時monitor中的計(jì)數(shù)器count加1。Mark Word區(qū)域會記錄鎖定狀態(tài)、鎖的類型和線程id。
四、鎖優(yōu)化
鎖升級方向：無鎖——>偏向鎖——>輕量級鎖——>重量級鎖，并且方向不可逆。
1、偏向鎖：
在大多數(shù)情況下，鎖不存在多線程競爭，總是由同一線程多次獲得，那么此時就是偏向鎖。
如果一個線程獲得了鎖，那么鎖就進(jìn)入偏向模式，此時Mark Word的結(jié)構(gòu)也就變?yōu)槠蜴i結(jié)構(gòu)，當(dāng)該線程再次請求鎖時，無需再做任何同步操作，即獲取鎖的過程只需要檢查Mark Word的鎖標(biāo)記位為偏向鎖以及當(dāng)前線程ID等于Mark Word的ThreadID即可，這樣就省去了大量有關(guān)鎖申請的操作。
２、輕量級鎖：
輕量級鎖是由偏向鎖升級而來，當(dāng)存在第二個線程申請同一個鎖對象時，偏向鎖就會立即升級為輕量級鎖。
３、重量級鎖：
重量級鎖是由輕量級鎖升級而來，當(dāng)同一時間有多個線程競爭鎖時，鎖就會被升級成重量級鎖，此時其申請鎖帶來的開銷也就變大。重量級鎖一般使用場景會在追求吞吐量，同步塊或者同步方法執(zhí)行時間較長的場景。
４、鎖消除：
消除鎖是虛擬機(jī)另外一種鎖的優(yōu)化，這種優(yōu)化更徹底，在JIT編譯時，對運(yùn)行上下文進(jìn)行掃描，去除不可能存在競爭的鎖。比如局部變量的加鎖。
５、鎖粗化：
鎖粗化是虛擬機(jī)對另一種極端情況的優(yōu)化處理，通過擴(kuò)大鎖的范圍，避免反復(fù)加鎖和釋放鎖。比如把for循環(huán)內(nèi)部的鎖擴(kuò)大到for循環(huán)外部。
６、自旋鎖與自適應(yīng)自旋鎖
輕量級鎖失敗后，虛擬機(jī)為了避免線程真實(shí)地在操作系統(tǒng)層面掛起，還會進(jìn)行一項(xiàng)稱為自旋鎖的優(yōu)化手段。
6.1、自旋鎖
許多情況下，共享數(shù)據(jù)的鎖定狀態(tài)持續(xù)時間較短，切換線程不值得，通過讓線程執(zhí)行循環(huán)等待鎖的釋放，不讓出CPU。如果得到鎖，就順利進(jìn)入臨界區(qū)。如果還不能獲得鎖，那就會將線程在操作系統(tǒng)層面掛起，這就是自旋鎖的優(yōu)化方式。但是它也存在缺點(diǎn)：如果鎖被其他線程長時間占用，一直不釋放CPU，會帶來許多的性能開銷。
6.2、自適應(yīng)自旋鎖
這種相當(dāng)于是對上面自旋鎖優(yōu)化方式的進(jìn)一步優(yōu)化，它的自旋的次數(shù)不再固定，其自旋的次數(shù)由前一次在同一個鎖上自旋并成功獲取鎖的擁有者的自旋次數(shù)來決定，這就解決了自旋鎖帶來的缺點(diǎn)。
