本文作者：景小財(cái)
作者簡介：美團(tuán)外賣活動業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人
1、為什么要用鎖倔约？
鎖-是為了解決并發(fā)操作引起的臟讀秃殉、數(shù)據(jù)不一致的問題。
2浸剩、鎖實(shí)現(xiàn)的基本原理
2.1钾军、volatile
Java編程語言允許線程訪問共享變量， 為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致地更新乒省，線程應(yīng)該確保通過排他鎖單獨(dú)獲得這個變量巧颈。Java語言提供了volatile，在某些情況下比鎖要更加方便袖扛。
volatile在多處理器開發(fā)中保證了共享變量的“ 可見性”砸泛。可見性的意思是當(dāng)一個線程修改一個共享變量時(shí)蛆封，另外一個線程能讀到這個修改的值唇礁。
結(jié)論：如果volatile變量修飾符使用恰當(dāng)?shù)脑挘萻ynchronized的使用和執(zhí)行成本更低惨篱，因?yàn)樗粫鹁€程上下文的切換和調(diào)度盏筐。
2.2、synchronized
synchronized通過鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步砸讳。
先來看下利用synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：Java中的每一個對象都可以作為鎖琢融。
具體表現(xiàn)為以下3種形式界牡。
- 對于普通同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對象漾抬。
- 對于靜態(tài)同步方法宿亡，鎖是當(dāng)前類的Class對象。
- 對于同步方法塊纳令，鎖是Synchonized括號里配置的對象挽荠。
當(dāng)一個線程試圖訪問同步代碼塊時(shí)，它首先必須得到鎖平绩，退出或拋出異常時(shí)必須釋放鎖圈匆。
2.2.1 synchronized實(shí)現(xiàn)原理
synchronized是基于Monitor來實(shí)現(xiàn)同步的。
Monitor從兩個方面來支持線程之間的同步：
- 互斥執(zhí)行
- 協(xié)作
1捏雌、Java 使用對象鎖 ( 使用 synchronized 獲得對象鎖 ) 保證工作在共享的數(shù)據(jù)集上的線程互斥執(zhí)行跃赚。
2、使用 notify/notifyAll/wait 方法來協(xié)同不同線程之間的工作性湿。
3来累、Class和Object都關(guān)聯(lián)了一個Monitor。
- 線程進(jìn)入同步方法中窘奏。
- 為了繼續(xù)執(zhí)行臨界區(qū)代碼，線程必須獲取 Monitor 鎖葫录。如果獲取鎖成功着裹，將成為該監(jiān)視者對象的擁有者。任一時(shí)刻內(nèi)米同，監(jiān)視者對象只屬于一個活動線程（The Owner）
- 擁有監(jiān)視者對象的線程可以調(diào)用 wait() 進(jìn)入等待集合（Wait Set）骇扇，同時(shí)釋放監(jiān)視鎖，進(jìn)入等待狀態(tài)面粮。
- 其他線程調(diào)用 notify() / notifyAll() 接口喚醒等待集合中的線程少孝，這些等待的線程需要重新獲取監(jiān)視鎖后才能執(zhí)行 wait() 之后的代碼。
- 同步方法執(zhí)行完畢了熬苍，線程退出臨界區(qū)稍走，并釋放監(jiān)視鎖。
參考文檔：https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-synchronized
2.2.2 synchronized具體實(shí)現(xiàn)
1柴底、同步代碼塊采用monitorenter婿脸、monitorexit指令顯式的實(shí)現(xiàn)。
2柄驻、同步方法則使用ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)記符隱式的實(shí)現(xiàn)狐树。
通過實(shí)例來看看具體實(shí)現(xiàn)：
public class SynchronizedTest {
public synchronized void method1(){
System.out.println("Hello World!");
}
public void method2(){
synchronized (this){
System.out.println("Hello World!");
}
}
}
javap編譯后的字節(jié)碼如下：
monitorenter
每一個對象都有一個monitor，一個monitor只能被一個線程擁有鸿脓。當(dāng)一個線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)會嘗試獲取相應(yīng)對象的monitor抑钟，獲取規(guī)則如下：
- 如果monitor的進(jìn)入數(shù)為0涯曲，則該線程可以進(jìn)入monitor增显，并將monitor進(jìn)入數(shù)設(shè)置為1括蝠，該線程即為monitor的擁有者。
- 如果當(dāng)前線程已經(jīng)擁有該monitor伊诵，只是重新進(jìn)入心俗，則進(jìn)入monitor的進(jìn)入數(shù)加1傲武，所以synchronized關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)的鎖是可重入的鎖。
- 如果monitor已被其他線程擁有城榛，則當(dāng)前線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)揪利，直到monitor的進(jìn)入數(shù)為0，再重新嘗試獲取monitor狠持。
monitorexit
只有擁有相應(yīng)對象的monitor的線程才能執(zhí)行monitorexit指令疟位。每執(zhí)行一次該指令monitor進(jìn)入數(shù)減1，當(dāng)進(jìn)入數(shù)為0時(shí)當(dāng)前線程釋放monitor喘垂，此時(shí)其他阻塞的線程將可以嘗試獲取該monitor甜刻。
2.2.3 鎖存放的位置
鎖標(biāo)記存放在Java對象頭的Mark Word中。
2.2.3 synchronized的鎖優(yōu)化
JavaSE1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗正勒，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”得院。
在JavaSE1.6中，鎖一共有4種狀態(tài)章贞，級別從低到高依次是：無鎖狀態(tài)祥绞、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)鸭限，這幾個狀態(tài)會隨著競爭情況逐漸升級蜕径。
鎖可以升級但不能降級，意味著偏向鎖升級成輕量級鎖后不能降級成偏向鎖败京。這種鎖升級卻不能降級的策略兜喻，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。
偏向鎖：
無鎖競爭的情況下為了減少鎖競爭的資源開銷赡麦，引入偏向鎖朴皆。
輕量級鎖：
輕量級鎖所適應(yīng)的場景是線程交替執(zhí)行同步塊的情況。
鎖粗化（Lock Coarsening）：也就是減少不必要的緊連在一起的unlock泛粹，lock操作车荔，將多個連續(xù)的鎖擴(kuò)展成一個范圍更大的鎖。
鎖消除（Lock Elimination）：鎖削除是指虛擬機(jī)即時(shí)編譯器在運(yùn)行時(shí)戚扳，對一些代碼上要求同步忧便，但是被檢測到不可能存在共享數(shù)據(jù)競爭的鎖進(jìn)行削除。
適應(yīng)性自旋（Adaptive Spinning）：自適應(yīng)意味著自旋的時(shí)間不再固定了，而是由前一次在同一個鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定珠增。如果在同一個鎖對象上超歌，自旋等待剛剛成功獲得過鎖，并且持有鎖的線程正在運(yùn)行中蒂教，那么虛擬機(jī)就會認(rèn)為這次自旋也很有可能再次成功巍举，進(jìn)而它將允許自旋等待持續(xù)相對更長的時(shí)間，比如100個循環(huán)凝垛。另一方面懊悯，如果對于某個鎖，自旋很少成功獲得過梦皮，那在以后要獲取這個鎖時(shí)將可能省略掉自旋過程炭分，以避免浪費(fèi)處理器資源。
2.2.4 鎖的優(yōu)缺點(diǎn)對比
2.3剑肯、CAS
CAS捧毛，在Java并發(fā)應(yīng)用中通常指CompareAndSwap或CompareAndSet，即比較并交換让网。
1呀忧、CAS是一個原子操作，它比較一個內(nèi)存位置的值并且只有相等時(shí)修改這個內(nèi)存位置的值為新的值溃睹，保證了新的值總是基于最新的信息計(jì)算的而账，如果有其他線程在這期間修改了這個值則CAS失敗。CAS返回是否成功或者內(nèi)存位置原來的值用于判斷是否CAS成功因篇。
2福扬、JVM中的CAS操作是利用了處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的。
優(yōu)點(diǎn)：
- 競爭不大的時(shí)候系統(tǒng)開銷小惜犀。
缺點(diǎn)：
- 循環(huán)時(shí)間長開銷大。
- ABA問題狠裹。
- 只能保證一個共享變量的原子操作虽界。
3、Java中的鎖實(shí)現(xiàn)
3.1涛菠、隊(duì)列同步器（AQS）
隊(duì)列同步器AbstractQueuedSynchronizer（以下簡稱同步器）莉御，是用來構(gòu)建鎖或者其他同步組件的基礎(chǔ)框架。
3.1.1俗冻、它使用了一個int成員變量表示同步狀態(tài)礁叔。
3.1.2、通過內(nèi)置的FIFO雙向隊(duì)列來完成獲取鎖線程的排隊(duì)工作迄薄。
-
同步器包含兩個節(jié)點(diǎn)類型的應(yīng)用琅关，一個指向頭節(jié)點(diǎn)，一個指向尾節(jié)點(diǎn)讥蔽，未獲取到鎖的線程會創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)線程安全（compareAndSetTail）的加入隊(duì)列尾部涣易。同步隊(duì)列遵循FIFO画机，首節(jié)點(diǎn)是獲取同步狀態(tài)成功的節(jié)點(diǎn)。
image.png 未獲取到鎖的線程將創(chuàng)建一個節(jié)點(diǎn)新症，設(shè)置到尾節(jié)點(diǎn)步氏。如下圖所示：
-
首節(jié)點(diǎn)的線程在釋放鎖時(shí)，將會喚醒后繼節(jié)點(diǎn)徒爹。而后繼節(jié)點(diǎn)將會在獲取鎖成功時(shí)將自己設(shè)置為首節(jié)點(diǎn)荚醒。如下圖所示：
image.png
3.1.3、獨(dú)占式/共享式鎖獲取
獨(dú)占式：有且只有一個線程能獲取到鎖隆嗅，如：ReentrantLock界阁。</pre>
共享式：可以多個線程同時(shí)獲取到鎖，如：CountDownLatch
獨(dú)占式
-
每個節(jié)點(diǎn)自旋觀察自己的前一節(jié)點(diǎn)是不是Header節(jié)點(diǎn)榛瓮，如果是铺董，就去嘗試獲取鎖。
image.png 獨(dú)占式鎖獲取流程：
共享式：
-
共享式與獨(dú)占式的區(qū)別：
image.png
- 共享鎖獲取流程：
4禀晓、鎖的使用用例
4.1精续、ConcurrentHashMap的實(shí)現(xiàn)原理及使用
結(jié)論：ConcurrentHashMap使用的鎖分段技術(shù)。首先將數(shù)據(jù)分成一段一段地存儲粹懒，然后給每一段數(shù)據(jù)配一把鎖重付，當(dāng)一個線程占用鎖訪問其中一個段數(shù)據(jù)的時(shí)候，其他段的數(shù)據(jù)也能被其他線程訪問凫乖。
本文作者：景小財(cái)
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