java synchronized原理

思考

當synchronized加的是偏向鎖或者輕量級鎖的時候掂榔，調(diào)用 wait方法會怎樣
- 對象的wait方法要依賴Monitor對象的實現(xiàn)败匹，而且需要有個隊列來存儲阻塞等待的線程是钥，偏向鎖和輕量級鎖都不涉及線程的阻塞，所以肖爵，我猜測會進行鎖膨脹為重量級鎖卢鹦，然后調(diào)用Monitor對象的wait方法
為什么重量級鎖叫鎖膨脹
- 重量級鎖會將對象頭Mark World指向一個Monitor對象，Monitor對象更像是對象頭的補充劝堪，在該對象中存儲了持有鎖的線程ID冀自、阻塞線程隊列、等待線程隊列秒啦，當這倆隊列中有信息時熬粗，這個Monitor對象就得一直掛在對象頭上。就像是對對象要實現(xiàn)鎖功能的補充余境，所以叫鎖膨脹
假如一個重入3次的線程調(diào)用wait方法驻呐，怎么處理
- 當前線程阻塞，并加入到Monitor的等待隊列猜拾，節(jié)點Node至少要有兩個信息挎袜，一個線程ID宋雏，一個重入次數(shù)

知識導讀

synchronized方法依賴標記flag為ACC_SYNCHRONIZED，同步代碼塊依賴monitorenter和monitorexit指令
synchronized在獲鎖的過程中是不能被中斷的笼沥，意思是說如果產(chǎn)生了死鎖奔浅，則不可能被中斷
同步方法汹桦、同步代碼塊中拋出異常舞骆，鎖自動釋放
synchronized是可重入的非公平鎖實現(xiàn)
無鎖督禽、偏向鎖总处、輕量級鎖不會出現(xiàn)線程阻塞的情況鹦马，這也是JVM優(yōu)化的最重要的一個目的
無鎖荸频、偏向鎖、輕量級鎖蔑滓、自旋鎖键袱、重量級鎖的優(yōu)化場景及鎖升級過程
鎖對象的方法實現(xiàn)依賴Monitor對象的實現(xiàn)褐健，Monitor對象依賴操作系統(tǒng)的Mutex互斥鎖實現(xiàn)
Monitor對象可以類比AQS蚜迅，封裝了持有鎖的線程，被阻塞線程隊列刹帕、等待線程隊列谎替、重入次數(shù)等信息
java的線程是映射到操作系統(tǒng)的原生內(nèi)核線程之上的钱贯，如果要阻塞或喚醒一條線程挫掏，則需要操作系統(tǒng)來幫忙完成秩命，這就不可避免地陷入用戶態(tài)到核心態(tài)的轉(zhuǎn)換中，進行這種狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要耗費很多的處理器時間硫麻。
計算過鎖對象的hashCode之后，對象頭上存儲了hashCode值拿愧，該鎖對象永遠無法作為偏向鎖了杠河，每次加鎖會直接走輕量級鎖或重量級鎖流程

對象鎖

Java 中的每一個對象都可以作為鎖

對于同步方法浇辜，鎖是當前實例對象柳洋。
對于同步方法塊卑雁，鎖是 Synchonized 括號里配置的對象。
對于靜態(tài)同步方法莹捡，鎖是當前對象的 Class 對象篮赢。

對象在內(nèi)存的分布分為3個部分：對象頭，實例數(shù)據(jù)琉挖，和對齊填充启泣。在對象頭中的Mark Word存儲了對象的鎖信息。Java中鎖對象有四種狀態(tài)示辈，無鎖狀態(tài)寥茫，偏向鎖狀態(tài)，輕量級鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)顽耳，它會隨著競爭情況逐漸升級坠敷。鎖可以升級但不能降級，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率

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注意：在偏向鎖射富、輕量級鎖、重量級鎖狀態(tài)下粥帚，對象頭的hashCode位置被鎖標志占用

輕量級鎖狀態(tài)下胰耗，HashCode會被復制到棧空間的Lock Record中
重量級鎖狀態(tài)下芒涡，HashCode會被存儲在對象頭關(guān)聯(lián)的Monitor對象中
偏向鎖狀態(tài)下沒有地方存儲HashCode柴灯，所以一旦遇到計算對象的hashCode，偏向鎖會升級到重量級鎖费尽。對象的hashCode是延遲計算的赠群，當一個對象已經(jīng)計算過hashCode，對象頭存儲了hashCode值旱幼，那么該對象鎖永遠無法作為偏向鎖使用了

原理

synchronized方法

javap查看synchronized方法會被編譯成方法的flags加上標志ACC_SYNCHRONIZED.

線程執(zhí)行方法時會檢查方法的ACC_SYNCHRONIZED標志查描，如果設置了線程需要先去獲取對象鎖，執(zhí)行完畢后線程再釋放對象鎖柏卤，在方法執(zhí)行期間冬三，同一時刻只有一個線程能成功獲取鎖

public synchronized void test(){
System.out.println("test");
}

public synchronized void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
       0: return

synchronized代碼塊

javap查看同步塊的入口位置和退出位置分別插入monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令。原理同synchronized方法一致

public void test(){
  synchronized (this) {
    
  }
}
public void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter
         4: aload_1
         5: monitorexit
         6: goto          14
         9: astore_2
        10: aload_1
        11: monitorexit
        12: aload_2
        13: athrow
        14: return

內(nèi)存語義

當線程獲取鎖時缘缚，JMM會把該線程對應的本地內(nèi)存置為無效勾笆，同步代碼塊必須去主內(nèi)存讀取所需的共享變量。
當線程釋放鎖時桥滨，JMM會將當前線程工作內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存中

優(yōu)化

synchronized重量級鎖依賴操作系統(tǒng)的mutex互斥鎖實現(xiàn)窝爪，需要阻塞線程弛车，由于線程的阻塞和重啟涉及CPU內(nèi)核切換，非常耗費性能蒲每，Jdk1.6之后針對synchronized做了一些優(yōu)化纷跛，來降低線程阻塞的幾率，主要包括如鎖粗化啃勉、鎖消除忽舟、輕量級鎖、偏向鎖淮阐、適應性自旋叮阅、重量級鎖等技術(shù)來減少鎖操作的開銷。

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無鎖

無鎖沒有對資源進行鎖定泣特，所有的線程都能訪問并修改同一個資源，但同時只有一個線程能修改成功状您。

無鎖的實現(xiàn)主要依賴CAS操作勒叠，一般在一個循環(huán)中不斷的進行CAS操作直到成功。循環(huán)次數(shù)過多會導致CPU負載升高

偏向鎖

當鎖對象第一次被線程獲取的時候，虛擬機將會把對象頭中的標志位設置為“01”柒桑、把偏向模式設置為“1”魁淳，表示進入偏向模式界逛。同時使用CAS操作把獲取到這個鎖的線程ID記錄在Mark Word之中息拜。如果CAS操作成功该溯，持有偏向鎖的線程以后每次獲取該鎖時狈茉，虛擬機都可以不再進行任何同步操作

優(yōu)化背景

偏向鎖的目的是消除無競爭情況下的加鎖操作氯庆。大多數(shù)情況下鎖不存在競爭羽莺，總是由同一個線程操作鎖盐固。如果在接下來的執(zhí)行過程中，該鎖沒有被其他的線程獲取，則持有偏向鎖的線程將永遠不需要再進行同步和CAS

加鎖

檢查鎖對象頭的Mark Word是否為鎖狀態(tài)是否是01，即無鎖或者偏向鎖
1. 如果鎖狀態(tài)不是01，進入輕量級鎖或者重量級鎖加鎖流程
2. 如果Mark Word存儲了hashCode派撕，不可偏向?qū)ο螅苯舆M入輕量級鎖加鎖流程
3. 如果是01际跪，可偏向鎖姆打，檢查Mark Word儲存的偏向線程ID是否為當前線程ID
  1. 如果存儲的偏向線程ID為空闲延，CAS將Mark Word偏向線程ID設置為本線程陆馁，CAS成功設置偏向鎖標志為1，獲取偏向鎖成功
  2. 如果是當前線程ID，偏向線程為當前線程互婿，獲取偏向鎖成功
  3. 如果對象頭存儲的偏向線程ID不是當前線程ID壮锻，進入偏向鎖撤銷流程

釋放鎖

偏向鎖使用了一種等到競爭出現(xiàn)才釋放鎖的機制，持有偏向鎖的線程不會主動釋放偏向鎖奏夫，需要等待其他線程來競爭的時候才會釋放偏向鎖呛哟。當有線程競爭偏向鎖時者娱，進入以下流程

當?shù)竭_全局安全點(在這個時間點上沒有字節(jié)碼正在執(zhí)行)時掛起持有偏向鎖的線程
1. 當前線程檢查持有偏向鎖的線程是否還存活
  1. 偏向鎖線程不處于活動狀態(tài)增炭，將對象頭設置為無鎖狀態(tài)，清除Mark Word中的偏向ID奈嘿，當前線程重新進入獲取偏向鎖流程
  2. 偏向鎖線程處于活動狀態(tài)袄膏，判斷當前線程是否還在同步代碼塊中占有鎖
    1. 偏向線程出了同步代碼塊码党，不競爭鎖了蒸健，將對象頭設置為無鎖狀態(tài)蘑秽，清除Mark Word中的偏向ID肠牲，當前線程重新進入獲取偏向鎖流程
    2. 偏向線程還持有鎖幼衰，發(fā)生競爭，升級為輕量級鎖
      1. 將Mark Word指向擁有偏向鎖線程的椬忽ǎ空間**的lock record
      2. 將對象頭鎖狀態(tài)修改為00,升級為輕量級鎖
      3. 恢復被掛起的偏向線程渡嚣，持有偏向鎖的線程獲取執(zhí)行權(quán)，當前線程CAS自旋獲取輕量級鎖

注意：在競爭激烈的時候，偏向鎖會成為一種累贅识椰，要頻繁的暫停線程绝葡，可以通過設置 -XX:UseBiasedLocking=false關(guān)閉偏向鎖功能

輕量級鎖

在當前線程的棧幀中開辟一塊鎖記錄（Lock Record）的空間，用于存儲鎖對象目前的Mark Word的拷貝腹鹉，然后CAS嘗試將對象的Mark Word指向Lock Record藏畅，就表示持有輕量級鎖

優(yōu)化背景

大部分占用鎖時間不會太長，通過短暫的自旋后可以獲取到鎖种蘸，避免線程阻塞和喚醒墓赴。輕量級鎖通過簡單的將對象頭指向持有鎖的棧來標記加鎖成，當發(fā)生競爭時航瞭，先自旋CAS更新Mark World指向本線程來競爭鎖诫硕。

加鎖

判斷鎖對象Mark Word中存儲的鎖記錄是否指向當前線程棧幀
1. 如果指向當前線程棧幀，說明是重入鎖刊侯，當前線程直接獲取執(zhí)行權(quán)
2. 如果沒有指向當前線程棧幀章办，說明其他線程已經(jīng)獲取了輕量級鎖。在當前線程棧幀中開辟鎖記錄空間滨彻，用于存放鎖對象中的Mark Word的拷貝(Displaced Mark Word),CAS將鎖對象的Mark Word指向當前椗航欤空間的鎖記錄
  1. CAS更新成功，成功獲取輕量級鎖亭饵，將Mark Word的鎖標志置為00休偶，執(zhí)行同步代碼塊
  2. CAS更新失敗，進入自旋鎖流程辜羊，當前線程嘗試使用自旋來獲取鎖踏兜，直到獲取到鎖或者升級為重量級鎖后阻塞當前線程

釋放鎖

從當前線程的棧幀中取出Displaced Mark Word存儲的鎖記錄的內(nèi)容
當前線程嘗試使用CAS將鎖記錄中復制的Displaced Mark Word替換到鎖對象中的Mark Word中
1. CAS更新成功，則釋放鎖成功八秃，釋放輕量級鎖碱妆，將鎖標志位置為01無鎖狀態(tài)
2. CAS更新失敗，對象頭已經(jīng)由其他競爭的線程修改為10昔驱，Mark World已經(jīng)膨脹指向Monitor對象疹尾，當前鎖升級為重量級鎖，所以當前線程需要執(zhí)行重量級鎖釋放鎖流程骤肛，請看下文

自旋鎖

線程的阻塞和喚醒需要從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到核心態(tài)纳本，這個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要相對比較長的時間，時間成本相對較高腋颠，自旋鎖就是避免線程進入阻塞狀態(tài)饮醇。在大多數(shù)情況下，線程持有鎖的時間都不會太長秕豫，所以希望通過短時間的重復嘗試去獲取鎖，避免線程阻塞。

當線程在獲取輕量級鎖的過程中執(zhí)行CAS更新Mark World失敗時，為了避免線程真實地在操作系統(tǒng)層面掛起，虛擬機通過自旋不斷嘗試CAS更新Mark World契耿。

自旋若干次后吹散，CAS修改Mark World成功則成功獲取輕量級鎖，線程獲取執(zhí)行權(quán)告喊。
自旋若干次后還是獲取鎖失敗，當前線程進入阻塞狀態(tài)，升級為重量級鎖

注意：自旋等待雖然避免了線程切換的開銷狗准，但它要占用處理器時間。如果鎖被占用的時間很短茵肃，自旋等待的效果就會非常好腔长。反之，如果鎖被占用的時間很長验残，那么自旋的線程只會白浪費處理器資源捞附。所以，自旋等待的時間必須要有一定的限度您没，如果自旋超過了限定次數(shù)（默認是10次鸟召，可以使用-XX:PreBlockSpin來更改）沒有成功獲得鎖，就應當掛起線程氨鹏。

自適應自旋鎖

自旋是需要消耗CPU性能的欧募，為了避免競爭激烈情況下無意義的自旋，JDK1.6引入自適應的自旋鎖仆抵，自適應就意味著自旋的次數(shù)不再是固定的跟继，它是由前一次在同一個鎖上的自旋時間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定。線程如果自旋成功了肢础，則下次自旋的次數(shù)會更多还栓，如果自旋失敗了，則自旋的次數(shù)就會減少传轰。

某個某個鎖對象自旋成功獲取輕量級鎖剩盒，并且持有鎖的線程正在運行中，那么虛擬機就會認為這次自旋也很有可能再次成功慨蛙，進而它將允許自旋持續(xù)相對更長的時間辽聊。
如果某個對象鎖自旋很少成功獲得，下次會減少自旋的次數(shù)期贫，很快升級為重量級鎖進入阻塞狀態(tài)跟匆，避免CPU資源浪費

重量級鎖

重量級鎖涉及到了線程的阻塞，所以需要有一個容器隊列來存儲所有阻塞的線程通砍。對象鎖還支持wait方法玛臂，允許持有鎖的線程釋放鎖并進入阻塞等待狀態(tài)烤蜕，也需要一個容器隊列來存儲所有阻塞等待的線程。Monitor就是做這件事的迹冤。通過將鎖對象頭的Mark World指向Monitor對象讽营，實現(xiàn)對象頭的補充膨脹效果。Monitor對象更像是對對象頭的功能補充

重量級鎖的實現(xiàn)是依靠Monitor對象實現(xiàn)泡徙，Monitor的本質(zhì)是依賴于底層操作系統(tǒng)的MutexLock(互斥鎖)實現(xiàn)橱鹏，MutexLock會導致線程的阻塞和喚醒，操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換堪藐，成本非常高莉兰。同時Monitor維護了持有鎖線程、阻塞線程隊列礁竞、阻塞等待線程隊列糖荒、重入次數(shù)等信息

monitor鎖對象

monitor是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲在棧中苏章，每一個線程都有一個可用monitor列表寂嘉，同時還有一個全局的可用列表，當線程可用monitor列表為空的時候會請求全局可用列表補充枫绅。泉孩？？并淋？

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Owner：初始時為NULL表示當前沒有任何線程擁有該monitor寓搬，線程加鎖成功后記錄持有鎖的線程ID，當鎖釋放后設置為NULL县耽；
EntryQ: 鏈表句喷，用于存儲所有阻塞在該鎖對象上的線程。存有兩個隊列兔毙，entry-set用于存儲正在阻塞競爭的線程唾琼，wait-set用于存儲調(diào)用wait方法等待喚醒的線程
RcThis: 表示所有阻塞或者等待在該鎖對象上的線程個數(shù)
Nest: 記錄鎖對象重入的次數(shù)
HashCode: 保存從對象頭拷貝過來的HashCode值
Candidate: 0表示沒有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個繼任線程來競爭鎖。

對象鎖的API實現(xiàn)依賴Monitor的實現(xiàn)澎剥，Monitor提供了獲取鎖(enter)锡溯、釋放鎖(exit)、等待(wait)哑姚、notify(喚醒)祭饭、notifyAll(喚醒所有)功能

加鎖

線程CAS自旋獲取輕量級鎖失敗后，將鎖膨脹為重量級鎖

從當前線程可用Monitor列表中取出一個Monitor對象叙量，修改Mark World指向Monitor對象
修改Monitor對象的Owner為持有輕量級鎖的線程ID,Nest初始為1
修改對象頭的鎖狀態(tài)為重量級鎖(10)
當前線程加入到Monitor的entry-set隊列中倡蝙，進入阻塞狀態(tài)

當一個新的線程來競爭重量級鎖或者當阻塞隊列中的線程被喚醒，競爭重量級鎖

當前線程判斷對象頭的鎖狀態(tài)為重量級鎖(10)绞佩，然后根據(jù)Mark World引用獲取Monitor對象
當前線程調(diào)用Monitor對象的獲取鎖(enter)方法
1. 如果Monitor鎖沒有被其他線程獲取寺鸥，當前線程成功獲取鎖猪钮，修改Monitro的Owner為當前線程
2. 如果Monitor鎖已經(jīng)被其他線程獲取，判斷Owner是否為當前線程
  1. 如果相同胆建，重入鎖躬贡，Nest++，當前線程繼續(xù)持有鎖
  2. 如果不同眼坏，當前線程加入到entry-set中，進入阻塞狀態(tài)

釋放鎖

將Monitor對象的Next字段減去 0 ,判斷減去后的值是否為0(可能重入)
1. Nest>0酸些，說明重入鎖還未釋放鎖宰译，當前線程繼續(xù)持有鎖
2. Next=0, 重入鎖釋放完成，設置Owner為空魄懂，檢查rfThis是否大于0沿侈，用于判讀是否需要喚醒被阻塞的線程
  1. rfThis>0，喚醒阻塞隊列中一個被阻塞的線程市栗，該線程競爭重量級鎖
  2. rfThis=0缀拭，沒有其他線程在競爭鎖，也沒有阻塞中的線程了填帽，當前Monior已經(jīng)沒有用了蛛淋，徹底釋放鎖，將Mark World指向為null篡腌，設置鎖狀態(tài)為01(無鎖),將解除關(guān)聯(lián)的monitor對象重新放入線程可用monitor列表中

鎖粗化

在已經(jīng)持有該對象鎖的情況下褐荷，再次調(diào)用synchronized該對象，不再判斷嘹悼，如StringBuilder.append().apend()

public void test() {
  synchronized (this) {
    System.out.println("a");
  }
  synchronized (this) {//優(yōu)化后不再阻塞
    System.out.println("b");
  }
}

鎖消除

通過運行時JIT編譯器的逃逸分析來消除一些沒有操作共享變量的同步操作

public void test1() {
  Vector vector = new Vector();
  vector.add("1");//vector本身屬于線程私有的叛甫，調(diào)用add的時候會進行鎖消除
  vector.add("2");
}