synchronized語(yǔ)義

synchronized又被稱(chēng)為內(nèi)置鎖，線程進(jìn)入同步代碼塊時(shí)會(huì)獲得該鎖佳恬，退出代碼塊自動(dòng)釋放鎖卷仑，鎖可以讓線程在臨界區(qū)互斥執(zhí)行，呈現(xiàn)串行語(yǔ)義田巴。
所以synchronized可以解決任何并發(fā)情況下線程安全的問(wèn)題钠糊，包含原子性，可見(jiàn)性壹哺，有序性抄伍。
java中每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖，根據(jù)synchronized修飾的目標(biāo)不同鎖定的對(duì)象有如下3中情況：

1管宵、修飾普通方法截珍，鎖當(dāng)前對(duì)象

2、修飾靜態(tài)方法箩朴，鎖當(dāng)前類(lèi)的class對(duì)象

3岗喉、修飾代碼塊，鎖括號(hào)中的對(duì)象

synchronized狀態(tài)

JDK6之前synchronized采用操作系統(tǒng)MutexLock互斥鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)炸庞，因其資源開(kāi)銷(xiāo)很大钱床，對(duì)性能有一定影響被稱(chēng)為重量級(jí)鎖。

之后的JDK對(duì)鎖進(jìn)行了一系列的優(yōu)化埠居，優(yōu)化措施之一就是引入了基于CAS指令(CASCompare-And-Swap查牌，CPU原子指令,匯編指令CMPXCHG事期。是一種樂(lè)觀加鎖策略,后續(xù)在J.U.C中總結(jié))的偏向鎖和輕量級(jí)鎖，使得synchronized的性能有了顯著提高纸颜。

鎖的信息保存在對(duì)象頭的MarkWord字段中刑赶，隨著鎖狀態(tài)的變化MarkWord中存儲(chǔ)在內(nèi)容也會(huì)跟著變化：

對(duì)象存儲(chǔ)布局

對(duì)象頭存儲(chǔ)內(nèi)容大小（markOop.hpp）

鎖狀態(tài)對(duì)應(yīng)的MarkWord

偏向鎖
是為了滿足一個(gè)線程在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)條件下訪問(wèn)同步代碼塊而設(shè)置的鎖懂衩，只需要在替換ThreadID時(shí)進(jìn)行一次CAS操作撞叨，線程獲取鎖的代價(jià)極低。

偏向鎖獲取過(guò)程

偏向鎖獲取代碼(biasedLocking.cpp)

偏向鎖只有當(dāng)其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖時(shí)浊洞，持有線程才釋放鎖牵敷。釋放發(fā)生在全局安全點(diǎn)上(此刻無(wú)其他字節(jié)碼執(zhí)行)，暫停持有線程法希，根據(jù)鎖對(duì)象是否被鎖定枷餐，將鎖狀態(tài)恢復(fù)至無(wú)鎖狀態(tài)，或膨脹到輕量級(jí)鎖苫亦。

輕量級(jí)鎖
是為了滿足多線程交替執(zhí)行步代碼塊而設(shè)置的鎖毛肋。采用CAS指令和自旋來(lái)減少系統(tǒng)級(jí)別的互斥操作所帶來(lái)的性能開(kāi)銷(xiāo)。如果有多個(gè)線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)鎖屋剑，則會(huì)膨脹到重量級(jí)鎖润匙。

輕量級(jí)鎖獲取過(guò)程

輕量級(jí)鎖獲取代碼(synchronizer.cpp)

輕量級(jí)鎖的釋放也是采用CAS方式進(jìn)行的，首先會(huì)嘗試將DisplacedMark Word替換回當(dāng)前對(duì)象的Mark Word唉匾，替換成功則輕量級(jí)鎖釋放成功孕讳，否則，說(shuō)明其他線程在嘗試獲取輕量級(jí)鎖則膨脹只重量級(jí)鎖巍膘。

重量級(jí)鎖
通常鎖說(shuō)的互斥鎖厂财，利用操作系統(tǒng)的MutexLock互斥鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)象內(nèi)的監(jiān)視器(monitor)進(jìn)行加鎖操作峡懈。
監(jiān)視器monitor有時(shí)也被稱(chēng)作管程璃饱，JVM規(guī)范規(guī)定，每個(gè)對(duì)象和類(lèi)在邏輯上都是和一個(gè)監(jiān)視器關(guān)聯(lián)肪康。操作系統(tǒng)底層的MutexLock荚恶，使用操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度使線程在臨界區(qū)互斥，其線程狀態(tài)切換成本很高梅鹦，所以稱(chēng)為重量級(jí)鎖裆甩。

同步代碼進(jìn)入時(shí)，JVM底層使用指令entermonitor用來(lái)獲取monitor的所有權(quán)齐唆，進(jìn)行加鎖。離開(kāi)時(shí)冻河，使用指令leavemonitor來(lái)釋放對(duì)monitor占用箍邮，即解鎖茉帅。

同步方法進(jìn)入時(shí)，JVM會(huì)在方法的常量池中設(shè)置ACC_SYNCHRONIZED訪問(wèn)標(biāo)志锭弊，并獲取monitor對(duì)象堪澎，執(zhí)行完畢會(huì)釋放掉monitor對(duì)象，在此期間其他任何線程都無(wú)權(quán)獲取這個(gè)monitor對(duì)象味滞，處于阻塞狀態(tài)樱蛤。

運(yùn)行過(guò)程中隨著鎖的競(jìng)爭(zhēng)，偏向鎖可以膨脹到輕量級(jí)鎖剑鞍，輕量級(jí)鎖可以膨脹到重量級(jí)鎖昨凡，膨脹的過(guò)程是單向的，即重量級(jí)鎖不會(huì)降級(jí)到輕量級(jí)鎖蚁署，輕量級(jí)鎖也不會(huì)降級(jí)到偏向鎖便脊。

鎖膨脹流程

synchronized 重入性

重入鎖指一個(gè)線程可以多次獲取自己已經(jīng)持有的鎖，比如一個(gè)線程在自己還沒(méi)有釋放鎖的時(shí)候光戈，再次進(jìn)入臨界區(qū)操作哪痰，如果鎖不可重入，那么線程將會(huì)被自己鎖死久妆。

內(nèi)置鎖synchronized是一個(gè)可重入鎖晌杰，即一個(gè)持有類(lèi)/對(duì)象可重入鎖的線程在調(diào)用本類(lèi)/對(duì)象中其他synchronized方法/塊或父類(lèi)中的synchronized方法/塊時(shí)，都不會(huì)被阻塞或者鎖死筷弦。

可重入性是通過(guò)對(duì)象監(jiān)視器中遞歸計(jì)數(shù)器(_recursion)實(shí)現(xiàn)的乎莉，初始值為0，表示沒(méi)有線程持有鎖奸笤，當(dāng)有線程競(jìng)爭(zhēng)到該鎖惋啃，計(jì)數(shù)器為1，并阻塞其他線程競(jìng)爭(zhēng)监右。如果持有線程再次競(jìng)爭(zhēng)該鎖時(shí)边灭，計(jì)數(shù)器加1記錄重入的次數(shù)。線程退出時(shí)健盒，計(jì)數(shù)器會(huì)遞減绒瘦，值為0時(shí)釋放鎖。

鎖重入計(jì)數(shù)器(objectMonitor.cpp)

synchronized 公平性

公平鎖是指線程獲得鎖的順序按照先進(jìn)先出的原則進(jìn)行的扣癣，即先發(fā)起鎖站在的先排隊(duì)的先得惰帽。非公平鎖指每個(gè)線程都先要競(jìng)爭(zhēng)鎖，不管排隊(duì)先后父虑，所以后到的線程有可能無(wú)需進(jìn)入等待隊(duì)列直接競(jìng)爭(zhēng)到鎖该酗。

線程饑餓是指CUP運(yùn)行時(shí)間片長(zhǎng)時(shí)間被其他線程占據(jù)而導(dǎo)致線程得不到CUP運(yùn)行時(shí)間。公平鎖不會(huì)造成線程饑餓，如果持有鎖的時(shí)間較長(zhǎng)或請(qǐng)求鎖的平均間隔時(shí)間較長(zhǎng)呜魄，可以考慮使用公平鎖悔叽。

但是非公平鎖的吞吐率是公平鎖的好幾倍。假如A線程持有鎖爵嗅，B線程請(qǐng)求這個(gè)鎖娇澎，這時(shí)B線程會(huì)被掛起。當(dāng)A線程釋放鎖時(shí)睹晒，B線程將會(huì)被喚醒趟庄，并嘗試獲取鎖，于此同時(shí)C線程也在請(qǐng)求這個(gè)鎖伪很，有可能C線程會(huì)在B線程被喚醒之前已經(jīng)使用完并釋放這個(gè)鎖了戚啥，所以非公平鎖比公平鎖的吞吐量高的原因就在于線程從被喚醒到獲取鎖有一定的時(shí)間延遲，非公平鎖能充分利用這段延遲的時(shí)間

對(duì)象監(jiān)視器代碼片段(objectMonitor.hpp)

在JVM實(shí)現(xiàn)中是掰，等待獲取鎖的線程放入等待_EntryList虑鼎，_owner指向當(dāng)前持有鎖的線程，_owner被wait后進(jìn)入阻塞隊(duì)列_WaitSet键痛，被notify后再次進(jìn)入等待隊(duì)列_EntryList炫彩，_owner會(huì)在解鎖時(shí)從_EntryList隊(duì)列頭拉出一個(gè)等待線程作為備選線程，_owner會(huì)把鎖競(jìng)爭(zhēng)的權(quán)利交給備選線程絮短，而不是直接把鎖交給備選線程江兢，備選線程能不能獲取鎖還得進(jìn)行重新競(jìng)爭(zhēng)，備選線程獲取鎖即成為_(kāi)owner線程丁频，獲取不了鎖則重新進(jìn)入_EntryList隊(duì)列等待杉允。這就是JVM線程競(jìng)爭(zhēng)切換機(jī)制的大致流程。

JVM線程競(jìng)爭(zhēng)切換機(jī)制使得synchronized內(nèi)置鎖是一個(gè)非公平鎖席里，也無(wú)法通過(guò)其他手段將其設(shè)置為公平鎖叔磷。

小結(jié)

1、鎖語(yǔ)義對(duì)臨界區(qū)進(jìn)行互斥奖磁，保障原子性改基，有序性，可見(jiàn)性
2咖为、synchronized使用對(duì)象監(jiān)視器(monitor)進(jìn)行加鎖操作
3秕狰、synchronized通過(guò)偏向鎖、輕量級(jí)鎖來(lái)提高性能躁染，所以和它和JUC中的顯式鎖(ReentrantLock等)相比性能并不低
4鸣哀、synchronized是可重入的非公平鎖
5、當(dāng)不十分確定volatile是否能保證安全的情況下吞彤，盡量選擇synchronized

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