synchronized 原理

Synchronized 是 Java 中用于實現(xiàn)線程同步的關(guān)鍵字，它可以用于方法或代碼塊。當一個方法或代碼塊被 synchronized 修飾時，它將在任意時刻只允許一個線程訪問，保證了多線程環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全性。
synchronized可用于修飾對象或方法：

方法上的 synchronized

class Test{
     public synchronized void test() {
				// ...
     }
}
// 等價于
class Test{
     public void test() {
         synchronized(this) {
             // ...
         }
     }
}

class Test{
     public synchronized static void test() {
         // ...
     }
}
// 等價于
class Test{
     public static void test() {
         synchronized(Test.class) {
						// ...
         }
     }
}

對象上的 synchronized

synchronized(對象) // 線程1,線程2(blocked)
{
		臨界區(qū)
}

static int counter = 0;
    static final Object room = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (room) {
                    counter++;
                }
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 5000; i++) {
                synchronized (room) {
                    counter--;
                }
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("{}",counter);
    }

synchronized 實際是用對象鎖保證了臨界區(qū)內(nèi)代碼的原子性，臨界區(qū)內(nèi)的代碼對外是不可分割的，不會被線程切換所打斷。

偏向鎖

一開始沒有競爭時，加的是偏向鎖。 Java 6 中引入了偏向鎖來做進一步優(yōu)化：只有第一次使用 CAS 將線程 ID 設(shè)置到對象的 Mark Word 頭，之后發(fā)現(xiàn)這個線程 ID 是自己的就表示沒有競爭，不用重新 CAS。以后只要不發(fā)生競爭，這個對象就歸該線程所有

對象頭格式：

一個對象創(chuàng)建時：

• 如果開啟了偏向鎖（默認開啟），那么對象創(chuàng)建后，markword 值為 0x05 即最后 3 位為 101，這時它的 thread、epoch、age 都為 0
• 偏向鎖是默認是延遲的，不會在程序啟動時立即生效，如果想避免延遲，可以加 VM 參數(shù) - XX:BiasedLockingStartupDelay=0 來禁用延遲
• 如果沒有開啟偏向鎖，那么對象創(chuàng)建后，markword 值為 0x01 即最后 3 位為 001，這時它的 hashcode、 age 都為 0，第一次用到 hashcode 時才會賦值

撤銷 - 調(diào)用對象 hashCode

調(diào)用了對象的 hashCode，但偏向鎖的對象 MarkWord 中存儲的是線程 id，如果調(diào)用 hashCode 會導致偏向鎖被撤銷

• 輕量級鎖會在鎖記錄中記錄 hashCode
• 重量級鎖會在 Monitor 中記錄 hashCode

在調(diào)用 hashCode 后使用偏向鎖，記得去掉 -XX:-UseBiasedLocking

撤銷 - 其它線程使用對象

當有其它線程使用偏向鎖對象時，會將偏向鎖升級為輕量級鎖

撤銷 - 調(diào)用 wait/notify

偏向鎖或者輕量級鎖，在調(diào)用了 wait 方法之后均會直接膨脹為重量級鎖。具體可以查看下面這篇對重量級鎖底層源碼的解析，其中有提到：

如果線程獲得鎖后調(diào)用Object#wait方法，則會將線程加入到WaitSet中，當被Object#notify喚醒后，會將線程從WaitSet移動到cxq或EntryList中去。需要注意的是，當調(diào)用一個鎖對象的wait或notify方法時，如當前鎖的狀態(tài)是偏向鎖或輕量級鎖則會先膨脹成重量級鎖。

批量重偏向

如果對象雖然被多個線程訪問，但沒有競爭，這時偏向了線程 T1 的對象仍有機會重新偏向 T2，重偏向會重置對象 的 Thread ID

當撤銷偏向鎖閾值超過 20 次后，jvm 會這樣覺得，我是不是偏向錯了呢，于是會在給這些對象加鎖時重新偏向至加鎖線程

批量撤銷

當撤銷偏向鎖閾值超過 40 次后，jvm 會這樣覺得，自己確實偏向錯了，根本就不該偏向。于是整個類的所有對象 都會變?yōu)椴豢善虻模陆ǖ膶ο笠彩遣豢善虻?/p>

參考資料 https://github.com/farmerjohngit/myblog/issues/12 http://www.rzrgm.cn/LemonFive/p/11246086.html http://www.rzrgm.cn/LemonFive/p/11248248.html 偏向鎖論文

輕量級鎖

輕量級鎖的使用場景：如果一個對象雖然有多線程要加鎖，但加鎖的時間是錯開的（也就是沒有競爭），那么可以使用輕量級鎖來優(yōu)化。

輕量級鎖對使用者是透明的，即語法仍然是 synchronized

假設(shè)有兩個方法同步塊，利用同一個對象加鎖

• 創(chuàng)建鎖記錄（Lock Record）對象，每個線程都的棧幀都會包含一個鎖記錄的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可以存儲鎖定對象的 Mark Word
• 讓鎖記錄中 Object reference 指向鎖對象，并嘗試用 cas 替換 Object 的 Mark Word，將 Mark Word 的值存 入鎖記錄
• 如果 cas 替換成功，對象頭中存儲了 鎖記錄地址和狀態(tài) 00 ，表示由該線程給對象加鎖
• 如果 cas 失敗，有兩種情況
  • 如果是其它線程已經(jīng)持有了該 Object 的輕量級鎖，這時表明有競爭，進入鎖膨脹過程
  • 如果是自己執(zhí)行了 synchronized 鎖重入，那么再添加一條 Lock Record 作為重入的計數(shù)
• 當退出 synchronized 代碼塊（解鎖時）如果有取值為 null 的鎖記錄，表示有重入，這時重置鎖記錄，表示重入計數(shù)減一
• 當退出 synchronized 代碼塊（解鎖時）鎖記錄的值不為 null，這時使用 cas 將 Mark Word 的值恢復給對象頭
  • 成功，則解鎖成功
  • 失敗，說明輕量級鎖進行了鎖膨脹或已經(jīng)升級為重量級鎖，進入重量級鎖解鎖流程

鎖膨脹

如果在嘗試加輕量級鎖的過程中，CAS 操作無法成功，這時一種情況就是有其它線程為此對象加上了輕量級鎖（有競爭），這時需要進行鎖膨脹，將輕量級鎖變?yōu)橹亓考夋i。

• 當 Thread-1 進行輕量級加鎖時，Thread-0 已經(jīng)對該對象加了輕量級鎖
• 這時 Thread-1 加輕量級鎖失敗，進入鎖膨脹流程
  • 即為 Object 對象申請 Monitor 鎖，讓 Object 指向重量級鎖地址
  • 然后自己進入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
• 當 Thread-0 退出同步塊解鎖時，使用 cas 將 Mark Word 的值恢復給對象頭，失敗。這時會進入重量級解鎖 流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 對象，設(shè)置 Owner 為 null，喚醒 EntryList 中 BLOCKED 線程
  （對于對象的hashcode，輕量級鎖會將存儲在棧幀的鎖記錄里 重量級鎖存儲在monitor里）

自旋優(yōu)化

重量級鎖競爭的時候，還可以使用自旋來進行優(yōu)化，如果當前線程自旋成功（即這時候持鎖線程已經(jīng)退出了同步塊，釋放了鎖），這時當前線程就可以避免阻塞。

• 自旋會占用 CPU 時間，單核 CPU 自旋就是浪費，多核 CPU 自旋才能發(fā)揮優(yōu)勢。

• 在 Java 6 之后自旋鎖是自適應的，比如對象剛剛的一次自旋操作成功過，那么認為這次自旋成功的可能性會高，就多自旋幾次；反之，就少自旋甚至不自旋，總之，比較智能。

• Java 7 之后不能控制是否開啟自旋功能

總結(jié)

鎖的升級流程：無鎖 --> 偏向鎖 --> (有競爭時先進行一次CAS，失敗后鎖膨脹)重量級鎖