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Java中的鎖機(jī)制及Lock類

鎖的釋放-獲取建立的happens before 關(guān)系

鎖是java并發(fā)編程中最重要的同步機(jī)制。鎖除了讓臨界區(qū)互斥執(zhí)行外蚁飒，還可以讓釋放鎖的線程向獲取同一個(gè)鎖的線程發(fā)送消息动壤。

下面是鎖釋放-獲取的示例代碼：
class MonitorExample {
int a = 0;

    public synchronized void writer() {  //1
        a++;                             //2
    }                                    //3
 
    public synchronized void reader() {  //4
        int i = a;                       //5
        ……
    }                                    //6
}

根據(jù)程序次序規(guī)則，1 happens before 2, 2 happens before 3; 4 happens before 5, 5 happens before 6淮逻。假設(shè)線程A執(zhí)行writer()方法琼懊，隨后線程B執(zhí)行reader()方法阁簸。根據(jù)happens before規(guī)則，這個(gè)過(guò)程包含的happens before 關(guān)系可以分為兩類：

1. 根據(jù)監(jiān)視器鎖規(guī)則哼丈，3 happens before 4启妹。
2. 根據(jù)happens before 的傳遞性，2 happens before 5醉旦。

上述happens before 關(guān)系的圖形化表現(xiàn)形式如下：

在上圖中饶米，每一個(gè)箭頭鏈接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，代表了一個(gè)happens before 關(guān)系车胡。黑色箭頭表示程序順序規(guī)則檬输；橙色箭頭表示監(jiān)視器鎖規(guī)則；藍(lán)色箭頭表示組合這些規(guī)則后提供的happens before保證吨拍。

上圖表示在線程A釋放了鎖之后褪猛，隨后線程B獲取同一個(gè)鎖。在上圖中羹饰，2 happens before 5伊滋。因此，線程A在釋放鎖之前所有可見(jiàn)的共享變量队秩，在線程B獲取同一個(gè)鎖之后笑旺，將立刻變得對(duì)B線程可見(jiàn)。

鎖釋放和獲取的內(nèi)存語(yǔ)義

當(dāng)線程釋放鎖時(shí)馍资，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存中筒主。以上面的MonitorExample程序?yàn)槔珹線程釋放鎖后鸟蟹，共享數(shù)據(jù)的狀態(tài)示意圖如下：

當(dāng)線程獲取鎖時(shí)乌妙，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無(wú)效。從而使得被監(jiān)視器保護(hù)的臨界區(qū)代碼必須要從主內(nèi)存中去讀取共享變量建钥。下面是鎖獲取的狀態(tài)示意圖：

對(duì)比鎖釋放-獲取的內(nèi)存語(yǔ)義與volatile寫-讀的內(nèi)存語(yǔ)義藤韵，可以看出：鎖釋放與volatile寫有相同的內(nèi)存語(yǔ)義；鎖獲取與volatile讀有相同的內(nèi)存語(yǔ)義熊经。

下面對(duì)鎖釋放和鎖獲取的內(nèi)存語(yǔ)義做個(gè)總結(jié)：

• 線程A釋放一個(gè)鎖泽艘，實(shí)質(zhì)上是線程A向接下來(lái)將要獲取這個(gè)鎖的某個(gè)線程發(fā)出了（線程A對(duì)共享變量所做修改的）消息。
• 線程B獲取一個(gè)鎖镐依，實(shí)質(zhì)上是線程B接收了之前某個(gè)線程發(fā)出的（在釋放這個(gè)鎖之前對(duì)共享變量所做修改的）消息匹涮。
• 線程A釋放鎖，隨后線程B獲取這個(gè)鎖槐壳，這個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是線程A通過(guò)主內(nèi)存向線程B發(fā)送消息然低。

鎖內(nèi)存語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)

本文將借助ReentrantLock的源代碼，來(lái)分析鎖內(nèi)存語(yǔ)義的具體實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

請(qǐng)看下面的示例代碼：

class ReentrantLockExample {
int a = 0;
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
 
public void writer() {
    lock.lock();         //獲取鎖
    try {
        a++;
    } finally {
        lock.unlock();  //釋放鎖
    }
}
 
public void reader () {
    lock.lock();        //獲取鎖
    try {
        int i = a;
        ……
    } finally {
        lock.unlock();  //釋放鎖
    }
}
}

在ReentrantLock中脚翘，調(diào)用lock()方法獲取鎖灼卢；調(diào)用unlock()方法釋放鎖。

ReentrantLock的實(shí)現(xiàn)依賴于java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer（本文簡(jiǎn)稱之為AQS）来农。AQS使用一個(gè)整型的volatile變量（命名為state）來(lái)維護(hù)同步狀態(tài)鞋真，馬上我們會(huì)看到，這個(gè)volatile變量是ReentrantLock內(nèi)存語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵沃于。 下面是ReentrantLock的類圖（僅畫(huà)出與本文相關(guān)的部分）：

ReentrantLock分為公平鎖和非公平鎖涩咖，我們首先分析公平鎖。

使用公平鎖時(shí)繁莹，加鎖方法lock()的方法調(diào)用軌跡如下：

1. ReentrantLock : lock()
2. FairSync : lock()
3. AbstractQueuedSynchronizer : acquire(int arg)
4. ReentrantLock : tryAcquire(int acquires)

在第4步真正開(kāi)始加鎖檩互，下面是該方法的源代碼：

protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
    final Thread current = Thread.currentThread();
    int c = getState();   //獲取鎖的開(kāi)始，首先讀volatile變量state
    if (c == 0) {
        if (isFirst(current) &&
            compareAndSetState(0, acquires)) {
            setExclusiveOwnerThread(current);
            return true;
        }
    }
    else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
        int nextc = c + acquires;
        if (nextc < 0)  
            throw new Error("Maximum lock count exceeded");
        setState(nextc);
        return true;
    }
    return false;
}

從上面源代碼中我們可以看出咨演，加鎖方法首先讀volatile變量state闸昨。

在使用公平鎖時(shí)，解鎖方法unlock()的方法調(diào)用軌跡如下：

1. ReentrantLock : unlock()
2. AbstractQueuedSynchronizer : release(int arg)
3. Sync : tryRelease(int releases)

在第3步真正開(kāi)始釋放鎖薄风，下面是該方法的源代碼：

protected final boolean tryRelease(int releases) {
    int c = getState() - releases;
    if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
        throw new IllegalMonitorStateException();
    boolean free = false;
    if (c == 0) {
        free = true;
        setExclusiveOwnerThread(null);
    }
    setState(c);           //釋放鎖的最后饵较，寫volatile變量state
    return free;
}

從上面的源代碼我們可以看出，在釋放鎖的最后寫volatile變量state遭赂。

公平鎖在釋放鎖的最后寫volatile變量state循诉；在獲取鎖時(shí)首先讀這個(gè)volatile變量。根據(jù)volatile的happens-before規(guī)則撇他，釋放鎖的線程在寫volatile變量之前可見(jiàn)的共享變量茄猫，在獲取鎖的線程讀取同一個(gè)volatile變量后將立即變的對(duì)獲取鎖的線程可見(jiàn)。

現(xiàn)在我們分析非公平鎖的內(nèi)存語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)困肩。

非公平鎖的釋放和公平鎖完全一樣划纽，所以這里僅僅分析非公平鎖的獲取。

使用公平鎖時(shí)锌畸，加鎖方法lock()的方法調(diào)用軌跡如下：

1. ReentrantLock : lock()
2. NonfairSync : lock()
3. AbstractQueuedSynchronizer : compareAndSetState(int expect, int update)

在第3步真正開(kāi)始加鎖阿浓，下面是該方法的源代碼：

<pre name="code">protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);}</pre>

該方法以原子操作的方式更新state變量，本文把java的compareAndSet()方法調(diào)用簡(jiǎn)稱為CAS蹋绽。JDK文檔對(duì)該方法的說(shuō)明如下：如果當(dāng)前狀態(tài)值等于預(yù)期值，則以原子方式將同步狀態(tài)設(shè)置為給定的更新值筋蓖。此操作具有 volatile 讀和寫的內(nèi)存語(yǔ)義卸耘。

這里我們分別從編譯器和處理器的角度來(lái)分析,CAS如何同時(shí)具有volatile讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義。

前文我們提到過(guò)粘咖，編譯器不會(huì)對(duì)volatile讀與volatile讀后面的任意內(nèi)存操作重排序蚣抗；編譯器不會(huì)對(duì)volatile寫與volatile寫前面的任意內(nèi)存操作重排序。組合這兩個(gè)條件，意味著為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)volatile讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義翰铡，編譯器不能對(duì)CAS與CAS前面和后面的任意內(nèi)存操作重排序钝域。

下面我們來(lái)分析在常見(jiàn)的intel x86處理器中，CAS是如何同時(shí)具有volatile讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義的锭魔。

下面是sun.misc.Unsafe類的compareAndSwapInt()方法的源代碼：

protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

可以看到這是個(gè)本地方法調(diào)用例证。這個(gè)本地方法在openjdk中依次調(diào)用的c++代碼為：unsafe.cpp，atomic.cpp和atomicwindowsx86.inline.hpp迷捧。這個(gè)本地方法的最終實(shí)現(xiàn)在openjdk的如下位置：openjdk-7-fcs-src-b147-27jun2011\openjdk\hotspot\src\oscpu\windowsx86\vm\ atomicwindowsx86.inline.hpp（對(duì)應(yīng)于windows操作系統(tǒng)织咧，X86處理器）。下面是對(duì)應(yīng)于intel x86處理器的源代碼的片段：

// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  \
                       __asm je L0      \
                       __asm _emit 0xF0 \
                       __asm L0:
 
inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  // alternative for InterlockedCompareExchange
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    LOCK_IF_MP(mp)
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

如上面源代碼所示漠秋，程序會(huì)根據(jù)當(dāng)前處理器的類型來(lái)決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴笙蒙。如果程序是在多處理器上運(yùn)行，就為cmpxchg指令加上lock前綴（lock cmpxchg）庆锦。反之捅位，如果程序是在單處理器上運(yùn)行，就省略lock前綴（單處理器自身會(huì)維護(hù)單處理器內(nèi)的順序一致性搂抒，不需要lock前綴提供的內(nèi)存屏障效果）艇搀。

intel的手冊(cè)對(duì)lock前綴的說(shuō)明如下：

1. 確保對(duì)內(nèi)存的讀-改-寫操作原子執(zhí)行。在Pentium及Pentium之前的處理器中燕耿，帶有l(wèi)ock前綴的指令在執(zhí)行期間會(huì)鎖住總線中符，使得其他處理器暫時(shí)無(wú)法通過(guò)總線訪問(wèn)內(nèi)存。很顯然誉帅，這會(huì)帶來(lái)昂貴的開(kāi)銷淀散。

2. 從Pentium 4，Intel Xeon及P6處理器開(kāi)始蚜锨，intel在原有總線鎖的基礎(chǔ)上做了一個(gè)很有意義的優(yōu)化：如果要訪問(wèn)的內(nèi)存區(qū)域（area of memory）在lock前綴指令執(zhí)行期間已經(jīng)在處理器內(nèi)部的緩存中被鎖定（即包含該內(nèi)存區(qū)域的緩存行當(dāng)前處于獨(dú)占或以修改狀態(tài)）档插，并且該內(nèi)存區(qū)域被完全包含在單個(gè)緩存行（cache line）中，那么處理器將直接執(zhí)行該指令亚再。

3. 由于在指令執(zhí)行期間該緩存行會(huì)一直被鎖定郭膛，其它處理器無(wú)法讀/寫該指令要訪問(wèn)的內(nèi)存區(qū)域，因此能保證指令執(zhí)行的原子性氛悬。這個(gè)操作過(guò)程叫做緩存鎖定（cache locking）则剃，緩存鎖定將大大降低lock前綴指令的執(zhí)行開(kāi)銷，但是當(dāng)多處理器之間的競(jìng)爭(zhēng)程度很高或者指令訪問(wèn)的內(nèi)存地址未對(duì)齊時(shí)如捅，仍然會(huì)鎖住總線棍现。

4. 禁止該指令與之前和之后的讀和寫指令重排序。

5. 把寫緩沖區(qū)中的所有數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中镜遣。

上面的第2點(diǎn)和第3點(diǎn)所具有的內(nèi)存屏障效果己肮，足以同時(shí)實(shí)現(xiàn)volatile讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義。

經(jīng)過(guò)上面的這些分析，現(xiàn)在我們終于能明白為什么JDK文檔說(shuō)CAS同時(shí)具有volatile讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義了谎僻。

現(xiàn)在對(duì)公平鎖和非公平鎖的內(nèi)存語(yǔ)義做個(gè)總結(jié)：

• 公平鎖和非公平鎖釋放時(shí)娄柳，最后都要寫一個(gè)volatile變量state。
• 公平鎖獲取時(shí)艘绍，首先會(huì)去讀這個(gè)volatile變量赤拒。
• 非公平鎖獲取時(shí)，首先會(huì)用CAS更新這個(gè)volatile變量,這個(gè)操作同時(shí)具有volatile讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義鞍盗。

從本文對(duì)ReentrantLock的分析可以看出需了，鎖釋放-獲取的內(nèi)存語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)至少有下面兩種方式：

1. 利用volatile變量的寫-讀所具有的內(nèi)存語(yǔ)義。
2. 利用CAS所附帶的volatile讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義般甲。

concurrent包的實(shí)現(xiàn)

由于java的CAS同時(shí)具有 volatile 讀和volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義肋乍，因此Java線程之間的通信現(xiàn)在有了下面四種方式：

1. A線程寫volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量敷存。
2. A線程寫volatile變量墓造，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量。
3. A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量锚烦，隨后B線程用CAS更新這個(gè)volatile變量觅闽。
4. A線程用CAS更新一個(gè)volatile變量，隨后B線程讀這個(gè)volatile變量涮俄。

Java的CAS會(huì)使用現(xiàn)代處理器上提供的高效機(jī)器級(jí)別原子指令蛉拙，這些原子指令以原子方式對(duì)內(nèi)存執(zhí)行讀-改-寫操作，這是在多處理器中實(shí)現(xiàn)同步的關(guān)鍵（從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)彻亲，能夠支持原子性讀-改-寫指令的計(jì)算機(jī)器孕锄，是順序計(jì)算圖靈機(jī)的異步等價(jià)機(jī)器，因此任何現(xiàn)代的多處理器都會(huì)去支持某種能對(duì)內(nèi)存執(zhí)行原子性讀-改-寫操作的原子指令）苞尝。同時(shí)畸肆，volatile變量的讀/寫和CAS可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。把這些特性整合在一起宙址，就形成了整個(gè)concurrent包得以實(shí)現(xiàn)的基石轴脐。如果我們仔細(xì)分析concurrent包的源代碼實(shí)現(xiàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)通用化的實(shí)現(xiàn)模式：

1. 首先抡砂，聲明共享變量為volatile大咱；
2. 然后，使用CAS的原子條件更新來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的同步注益；
3. 同時(shí)徽级，配合以volatile的讀/寫和CAS所具有的volatile讀和寫的內(nèi)存語(yǔ)義來(lái)實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。

AQS聊浅，非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原子變量類（java.util.concurrent.atomic包中的類），這些concurrent包中的基礎(chǔ)類都是使用這種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而concurrent包中的高層類又是依賴于這些基礎(chǔ)類來(lái)實(shí)現(xiàn)的低匙。從整體來(lái)看旷痕，concurrent包的實(shí)現(xiàn)示意圖如下：

synchronized實(shí)現(xiàn)原理

轉(zhuǎn)自：https://blog.csdn.net/chenssy/article/details/54883355

記得剛剛開(kāi)始學(xué)習(xí)Java的時(shí)候，一遇到多線程情況就是synchronized顽冶。對(duì)于當(dāng)時(shí)的我們來(lái)說(shuō)欺抗，synchronized是如此的神奇且強(qiáng)大。我們賦予它一個(gè)名字“同步”强重，也成為我們解決多線程情況的良藥绞呈，百試不爽。但是间景，隨著學(xué)習(xí)的深入佃声，我們知道synchronized是一個(gè)重量級(jí)鎖，相對(duì)于Lock倘要，它會(huì)顯得那么笨重圾亏，以至于我們認(rèn)為它不是那么的高效，并慢慢拋棄它封拧。

誠(chéng)然志鹃，隨著Javs SE 1.6對(duì)synchronized進(jìn)行各種優(yōu)化后，synchronized不會(huì)顯得那么重泽西。

下面跟隨LZ一起來(lái)探索synchronized的實(shí)現(xiàn)機(jī)制曹铃、Java是如何對(duì)它進(jìn)行了優(yōu)化、鎖優(yōu)化機(jī)制捧杉、鎖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和升級(jí)過(guò)程陕见。

****1、實(shí)現(xiàn)原理****

synchronized可以保證方法或者代碼塊在運(yùn)行時(shí)糠溜，同一時(shí)刻只有一個(gè)方法可以進(jìn)入到臨界區(qū)淳玩，同時(shí)它還可以保證共享變量的內(nèi)存可見(jiàn)性。

Java中每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖非竿，這是synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：

1. 普通同步方法蜕着，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象；

2. 靜態(tài)同步方法红柱，鎖是當(dāng)前類的class對(duì)象承匣；

3. 同步方法塊，鎖是括號(hào)里面的對(duì)象锤悄。

當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步代碼塊時(shí)韧骗，它首先是需要得到鎖才能執(zhí)行同步代碼，當(dāng)退出或者拋出異常時(shí)必須要釋放鎖零聚，那么它是如何來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制的呢袍暴？

我們先看一段簡(jiǎn)單的代碼：

<pre>public class SynchronizedTest{ public synchronized void test1(){

} public void test2(){
　　　　synchronized(this){

   }
}

}</pre>

利用Javap工具查看生成的class文件信息來(lái)分析Synchronize的實(shí)現(xiàn)：

從上面可以看出些侍，同步代碼塊是使用monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)的，同步方法（在這看不出來(lái)需要看JVM底層實(shí)現(xiàn)）依靠的是方法修飾符上的ACCSYNCHRONIZED實(shí)現(xiàn)政模。

同步代碼塊：

monitorenter指令插入到同步代碼塊的開(kāi)始位置岗宣，monitorexit指令插入到同步代碼塊的結(jié)束位置，JVM需要保證每一個(gè)monitorenter都有一個(gè)monitorexit與之相對(duì)應(yīng)淋样。任何對(duì)象都有一個(gè)monitor與之相關(guān)聯(lián)耗式，當(dāng)且一個(gè)monitor被持有之后，他將處于鎖定狀態(tài)趁猴。線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)刊咳，將會(huì)嘗試獲取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的monitor所有權(quán)，即嘗試獲取對(duì)象的鎖儡司；

同步方法

synchronized方法則會(huì)被翻譯成普通的方法調(diào)用和返回指令如:invokevirtual娱挨、areturn指令，在VM字節(jié)碼層面并沒(méi)有任何特別的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)被synchronized修飾的方法枫慷，而是在Class文件的方法表中將該方法的accessflags字段中的synchronized標(biāo)志位置1让蕾，表示該方法是同步方法并使用調(diào)用該方法的對(duì)象或該方法所屬的Class在JVM的內(nèi)部對(duì)象表示Klass做為鎖對(duì)象。

(摘自：http://www.cnblogs.com/javaminer/p/3889023.html)

下面我們來(lái)繼續(xù)分析或听，但是在深入之前我們需要了解兩個(gè)重要的概念：Java對(duì)象頭探孝、Monitor。

Java對(duì)象頭誉裆、monitor：Java對(duì)象頭和monitor是實(shí)現(xiàn)synchronized的基礎(chǔ)顿颅！下面就這兩個(gè)概念來(lái)做詳細(xì)介紹。

2足丢、Java對(duì)象頭

synchronized用的鎖是存在Java對(duì)象頭里的粱腻，那么什么是Java對(duì)象頭呢？

Hotspot虛擬機(jī)的對(duì)象頭主要包括兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：Mark Word（標(biāo)記字段）斩跌、Klass Pointer（類型指針）绍些。其中Klass Point是是對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例耀鸦，Mark Word用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)柬批，它是實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)鎖和偏向鎖的關(guān)鍵。

所以下面將重點(diǎn)闡述袖订。

• Mark Word

  Mark Word用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)氮帐，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡洛姑、鎖狀態(tài)標(biāo)志上沐、線程持有的鎖、偏向線程 ID楞艾、偏向時(shí)間戳等等参咙。Java對(duì)象頭一般占有兩個(gè)機(jī)器碼（在32位虛擬機(jī)中龄广，1個(gè)機(jī)器碼等于4字節(jié)，也就是32bit）昂勒，但是如果對(duì)象是數(shù)組類型蜀细，則需要三個(gè)機(jī)器碼，因?yàn)镴VM虛擬機(jī)可以通過(guò)Java對(duì)象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對(duì)象的大小戈盈，但是無(wú)法從數(shù)組的元數(shù)據(jù)來(lái)確認(rèn)數(shù)組的大小，所以用一塊來(lái)記錄數(shù)組長(zhǎng)度谆刨。

下圖是Java對(duì)象頭的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（32位虛擬機(jī)）：

對(duì)象頭信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)的額外存儲(chǔ)成本塘娶，但是考慮到虛擬機(jī)的空間效率，Mark Word被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)痊夭，它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間刁岸，也就是說(shuō)，Mark Word會(huì)隨著程序的運(yùn)行發(fā)生變化她我，變化狀態(tài)如下（32位虛擬機(jī)）：

簡(jiǎn)單介紹了Java對(duì)象頭虹曙，我們下面再看Monitor。

3番舆、Monitor

什么是Monitor酝碳？

我們可以把它理解為一個(gè)同步工具，也可以描述為一種同步機(jī)制恨狈，它通常被描述為一個(gè)對(duì)象疏哗。

與一切皆對(duì)象一樣，所有的Java對(duì)象是天生的Monitor禾怠，每一個(gè)Java對(duì)象都有成為Monitor的潛質(zhì)返奉，因?yàn)樵贘ava的設(shè)計(jì)中 ，每一個(gè)Java對(duì)象自打娘胎里出來(lái)就帶了一把看不見(jiàn)的鎖吗氏，它叫做內(nèi)部鎖或者M(jìn)onitor鎖芽偏。

Monitor 是線程私有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)線程都有一個(gè)可用monitor record列表弦讽，同時(shí)還有一個(gè)全局的可用列表污尉。每一個(gè)被鎖住的對(duì)象都會(huì)和一個(gè)monitor關(guān)聯(lián)（對(duì)象頭的MarkWord中的LockWord指向monitor的起始地址），同時(shí)monitor中有一個(gè)Owner字段存放擁有該鎖的線程的唯一標(biāo)識(shí)坦袍，表示該鎖被這個(gè)線程占用十厢。

其結(jié)構(gòu)如下：

• Owner：初始時(shí)為NULL表示當(dāng)前沒(méi)有任何線程擁有該monitor record，當(dāng)線程成功擁有該鎖后保存線程唯一標(biāo)識(shí)捂齐，當(dāng)鎖被釋放時(shí)又設(shè)置為NULL蛮放。

• EntryQ：關(guān)聯(lián)一個(gè)系統(tǒng)互斥鎖（semaphore），阻塞所有試圖鎖住monitor record失敗的線程奠宜。

• RcThis：表示blocked或waiting在該monitor record上的所有線程的個(gè)數(shù)包颁。

• Nest：用來(lái)實(shí)現(xiàn)重入鎖的計(jì)數(shù)瞻想。HashCode:保存從對(duì)象頭拷貝過(guò)來(lái)的HashCode值（可能還包含GC age）。

• Candidate：用來(lái)避免不必要的阻塞或等待線程喚醒娩嚼，因?yàn)槊恳淮沃挥幸粋€(gè)線程能夠成功擁有鎖蘑险，如果每次前一個(gè)釋放鎖的線程喚醒所有正在阻塞或等待的線程，會(huì)引起不必要的上下文切換（從阻塞到就緒然后因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)鎖失敗又被阻塞）從而導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降岳悟。

  Candidate只有兩種可能的值0表示沒(méi)有需要喚醒的線程1表示要喚醒一個(gè)繼任線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)鎖佃迄。

我們知道synchronized是重量級(jí)鎖，效率不怎么滴贵少，同時(shí)這個(gè)觀念也一直存在我們腦海里呵俏，不過(guò)在JDK 1.6中對(duì)synchronize的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了各種優(yōu)化，使得它顯得不是那么重了滔灶，那么JVM采用了那些優(yōu)化手段呢普碎？

4、鎖優(yōu)化

JDK1.6對(duì)鎖的實(shí)現(xiàn)引入了大量的優(yōu)化录平，如自旋鎖麻车、適應(yīng)性自旋鎖、鎖消除斗这、鎖粗化动猬、偏向鎖、輕量級(jí)鎖等技術(shù)來(lái)減少鎖操作的開(kāi)銷涝影。

　　鎖主要存在四中狀態(tài)枣察，依次是：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)燃逻、輕量級(jí)鎖狀態(tài)序目、重量級(jí)鎖狀態(tài)。他們會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)的激烈而逐漸升級(jí)伯襟。注意鎖可以升級(jí)不可降級(jí)猿涨，這種策略是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

5姆怪、自旋鎖

線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態(tài)轉(zhuǎn)為核心態(tài)叛赚，頻繁的阻塞和喚醒對(duì)CPU來(lái)說(shuō)是一件負(fù)擔(dān)很重的工作，勢(shì)必會(huì)給系統(tǒng)的并發(fā)性能帶來(lái)很大的壓力稽揭。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)在許多應(yīng)用上面俺附，對(duì)象鎖的鎖狀態(tài)只會(huì)持續(xù)很短一段時(shí)間，為了這一段很短的時(shí)間頻繁地阻塞和喚醒線程是非常不值得的溪掀。

所以引入自旋鎖事镣。

何謂自旋鎖？

　　所謂自旋鎖揪胃，就是讓該線程等待一段時(shí)間璃哟，不會(huì)被立即掛起（就是不讓前來(lái)獲取該鎖（已被占用）的線程立即阻塞）氛琢，看持有鎖的線程是否會(huì)很快釋放鎖。

怎么等待呢随闪？

執(zhí)行一段無(wú)意義的循環(huán)即可（自旋）阳似。

自旋等待不能替代阻塞，先不說(shuō)對(duì)處理器數(shù)量的要求（多核铐伴，貌似現(xiàn)在沒(méi)有單核的處理器了）撮奏，雖然它可以避免線程切換帶來(lái)的開(kāi)銷，但是它占用了處理器的時(shí)間当宴。如果持有鎖的線程很快就釋放了鎖挽荡，那么自旋的效率就非常好；反之即供，自旋的線程就會(huì)白白消耗掉處理的資源，它不會(huì)做任何有意義的工作于微，典型的占著茅坑不拉屎逗嫡，這樣反而會(huì)帶來(lái)性能上的浪費(fèi)。

所以說(shuō)株依，自旋等待的時(shí)間（自旋的次數(shù)）必須要有一個(gè)限度驱证，如果自旋超過(guò)了定義的時(shí)間仍然沒(méi)有獲取到鎖，則應(yīng)該被掛起恋腕。自旋鎖在JDK 1.4.2中引入抹锄，默認(rèn)關(guān)閉，但是可以使用-XX:+UseSpinning開(kāi)開(kāi)啟荠藤，在JDK1.6中默認(rèn)開(kāi)啟伙单。同時(shí)自旋的默認(rèn)次數(shù)為10次，可以通過(guò)參數(shù)-XX:PreBlockSpin來(lái)調(diào)整哈肖。

如果通過(guò)參數(shù)-XX:preBlockSpin來(lái)調(diào)整自旋鎖的自旋次數(shù)吻育，會(huì)帶來(lái)諸多不便。假如我將參數(shù)調(diào)整為10淤井，但是系統(tǒng)很多線程都是等你剛剛退出的時(shí)候就釋放了鎖（假如你多自旋一兩次就可以獲取鎖）布疼，你是不是很尷尬？于是JDK1.6引入自適應(yīng)的自旋鎖币狠，讓虛擬機(jī)會(huì)變得越來(lái)越聰明游两。

6、適應(yīng)自旋鎖

JDK 1.6引入了更加聰明的自旋鎖漩绵，即自適應(yīng)自旋鎖贱案。所謂自適應(yīng)就意味著自旋的次數(shù)不再是固定的，它是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間及鎖的擁有者的狀態(tài)來(lái)決定渐行。

它怎么做呢轰坊？

線程如果自旋成功了铸董，那么下次自旋的次數(shù)會(huì)更加多，因?yàn)樘摂M機(jī)認(rèn)為既然上次成功了肴沫，那么此次自旋也很有可能會(huì)再次成功粟害，那么它就會(huì)允許自旋等待持續(xù)的次數(shù)更多。反之颤芬，如果對(duì)于某個(gè)鎖悲幅，很少有自旋能夠成功的，那么在以后要或者這個(gè)鎖的時(shí)候自旋的次數(shù)會(huì)減少甚至省略掉自旋過(guò)程站蝠，以免浪費(fèi)處理器資源汰具。有了自適應(yīng)自旋鎖，隨著程序運(yùn)行和性能監(jiān)控信息的不斷完善菱魔，虛擬機(jī)對(duì)程序鎖的狀況預(yù)測(cè)會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確留荔，虛擬機(jī)會(huì)變得越來(lái)越聰明。

7澜倦、鎖消除

為了保證數(shù)據(jù)的完整性聚蝶，我們?cè)谶M(jìn)行操作時(shí)需要對(duì)這部分操作進(jìn)行同步控制，但是在有些情況下藻治，JVM檢測(cè)到不可能存在共享數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)碘勉，這是JVM會(huì)對(duì)這些同步鎖進(jìn)行鎖消除。鎖消除的依據(jù)是逃逸分析的數(shù)據(jù)支持桩卵。

　　如果不存在競(jìng)爭(zhēng)验靡，為什么還需要加鎖呢？

所以鎖消除可以節(jié)省毫無(wú)意義的請(qǐng)求鎖的時(shí)間雏节。變量是否逃逸胜嗓，對(duì)于虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)需要使用數(shù)據(jù)流分析來(lái)確定，但是對(duì)于我們程序員來(lái)說(shuō)這還不清楚么矾屯？我們會(huì)在明明知道不存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的代碼塊前加上同步嗎兼蕊？但是有時(shí)候程序并不是我們所想的那樣？

我們雖然沒(méi)有顯示使用鎖件蚕，但是我們?cè)谑褂靡恍㎎DK的內(nèi)置API時(shí)孙技，如StringBuffer、Vector排作、HashTable等少梁，這個(gè)時(shí)候會(huì)存在隱形的加鎖操作滋觉。

　　比如StringBuffer的append()方法，Vector的add()方法：

<pre>public void vectorTest(){
Vector<String> vector = new Vector<String>(); for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
vector.add(i + "");
}

System.out.println(vector);

}</pre>

在運(yùn)行這段代碼時(shí)，JVM可以明顯檢測(cè)到變量vector沒(méi)有逃逸出方法vectorTest()之外喉镰，所以JVM可以大膽地將vector內(nèi)部的加鎖操作消除。

8、鎖粗化

我們知道在使用同步鎖的時(shí)候，需要讓同步塊的作用范圍盡可能小土浸，僅在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步。這樣做的目的是為了使需要同步的操作數(shù)量盡可能縮小彭羹，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)黄伊，那么等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。

在大多數(shù)的情況下派殷，上述觀點(diǎn)是正確的还最，LZ也一直堅(jiān)持著這個(gè)觀點(diǎn)。但是如果一系列的連續(xù)加鎖解鎖操作毡惜，可能會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗拓轻，所以引入鎖粗化的概念。

那什么是鎖粗化经伙？

就是將多個(gè)連續(xù)的加鎖扶叉、解鎖操作連接在一起，擴(kuò)展成一個(gè)范圍更大的鎖帕膜。

如上面實(shí)例：vector每次add的時(shí)候都需要加鎖操作辜梳，JVM檢測(cè)到對(duì)同一個(gè)對(duì)象（vector）連續(xù)加鎖、解鎖操作泳叠，會(huì)合并一個(gè)更大范圍的加鎖、解鎖操作茶宵，即加鎖解鎖操作會(huì)移到for循環(huán)之外危纫。

9、輕量級(jí)鎖

引入輕量級(jí)鎖的主要目的是在多沒(méi)有多線程競(jìng)爭(zhēng)的前提下乌庶，減少傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖使用操作系統(tǒng)互斥量產(chǎn)生的性能消耗种蝶。

當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能或者多個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖，則會(huì)嘗試獲取輕量級(jí)鎖瞒大，其步驟如下：****獲取鎖螃征。

1. 判斷當(dāng)前對(duì)象是否處于無(wú)鎖狀態(tài)（hashcode、0透敌、01）盯滚，若是，則JVM首先將在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄（Lock Record）的空間酗电，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的Mark Word的拷貝（官方把這份拷貝加了一個(gè)Displaced前綴魄藕，即Displaced Mark Word）；否則執(zhí)行步驟（3）撵术；

2. JVM利用CAS操作嘗試將對(duì)象的Mark Word更新為指向Lock Record的指正背率，如果成功表示競(jìng)爭(zhēng)到鎖，則將鎖標(biāo)志位變成00（表示此對(duì)象處于輕量級(jí)鎖狀態(tài)），執(zhí)行同步操作寝姿；如果失敗則執(zhí)行步驟（3）交排；

3. 判斷當(dāng)前對(duì)象的Mark Word是否指向當(dāng)前線程的棧幀，如果是則表示當(dāng)前線程已經(jīng)持有當(dāng)前對(duì)象的鎖饵筑，則直接執(zhí)行同步代碼塊埃篓；否則只能說(shuō)明該鎖對(duì)象已經(jīng)被其他線程搶占了，這時(shí)輕量級(jí)鎖需要膨脹為重量級(jí)鎖翻翩，鎖標(biāo)志位變成10都许，后面等待的線程將會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)；

釋放鎖輕量級(jí)鎖的釋放也是通過(guò)CAS操作來(lái)進(jìn)行的嫂冻，主要步驟如下：

1. 取出在獲取輕量級(jí)鎖保存在Displaced Mark Word中的數(shù)據(jù)胶征；

2. 用CAS操作將取出的數(shù)據(jù)替換當(dāng)前對(duì)象的Mark Word中，如果成功桨仿，則說(shuō)明釋放鎖成功睛低，否則執(zhí)行（3）；

3. 如果CAS操作替換失敗服傍，說(shuō)明有其他線程嘗試獲取該鎖钱雷，則需要在釋放鎖的同時(shí)需要喚醒被掛起的線程。

輕量級(jí)鎖能提升程序同步性能的依據(jù)是“對(duì)于絕大部分的鎖吹零，在整個(gè)同步周期內(nèi)都是不存在競(jìng)爭(zhēng)的”罩抗，這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。輕量級(jí)鎖在當(dāng)前線程的棧幀中建立一個(gè)名為鎖記錄的空間灿椅，用于存儲(chǔ)鎖對(duì)象目前的指向和狀態(tài)套蒂。如果沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，輕量級(jí)鎖使用CAS操作避免了使用互斥量的開(kāi)銷茫蛹，但如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)操刀，除了互斥量的開(kāi)銷外，還額外發(fā)生了CAS操作婴洼，因此在有競(jìng)爭(zhēng)的情況下骨坑，輕量級(jí)鎖會(huì)比傳統(tǒng)的重量級(jí)鎖更慢。

什么是CAS操作柬采？

compare and swap,CAS操作需要輸入兩個(gè)數(shù)值欢唾，一個(gè)舊值（期望操作前的值）和一個(gè)新值，在操作期間先比較舊值有沒(méi)有發(fā)生變化粉捻，如果沒(méi)有發(fā)生變化匈辱，才交換成新值，發(fā)生了變化則不交換杀迹。

CAS詳解：https://mp.weixin.qq.com/s__biz=MzIxMjE5MTE1Nw==&mid=2653192625&idx=1&sn=cbabbd806e4874e8793332724ca9d454&chksm=8c99f36bbbee7a7d169581dedbe09658d0b0edb62d2cbc9ba4c40f706cb678c7d8c768afb666&scene=21#wechat_redirect

https://blog.csdn.net/qq_35357656/article/details/78657373

下圖是輕量級(jí)鎖的獲取和釋放過(guò)程：

10亡脸、偏向鎖

引入偏向鎖主要目的是：為了在無(wú)多線程競(jìng)爭(zhēng)的情況下盡量減少不必要的輕量級(jí)鎖執(zhí)行路徑押搪。上面提到了輕量級(jí)鎖的加鎖解鎖操作是需要依賴多次CAS原子指令的。那么偏向鎖是如何來(lái)減少不必要的CAS操作呢浅碾？我們可以查看Mark work的結(jié)構(gòu)就明白了大州。

只需要檢查是否為偏向鎖、鎖標(biāo)識(shí)為以及ThreadID即可垂谢，處理流程如下：****獲取鎖厦画。

1. 檢測(cè)Mark Word是否為可偏向狀態(tài)，即是否為偏向鎖1滥朱，鎖標(biāo)識(shí)位為01根暑；

2. 若為可偏向狀態(tài)，則測(cè)試線程ID是否為當(dāng)前線程ID徙邻，如果是排嫌，則執(zhí)行步驟（5），否則執(zhí)行步驟（3）缰犁；

3. 如果線程ID不為當(dāng)前線程ID淳地，則通過(guò)CAS操作競(jìng)爭(zhēng)鎖，競(jìng)爭(zhēng)成功帅容，則將Mark Word的線程ID替換為當(dāng)前線程ID颇象，否則執(zhí)行線程（4）；

4. 通過(guò)CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖失敗并徘，證明當(dāng)前存在多線程競(jìng)爭(zhēng)情況遣钳，當(dāng)?shù)竭_(dá)全局安全點(diǎn)，獲得偏向鎖的線程被掛起麦乞，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖耍贾，然后被阻塞在安全點(diǎn)的線程繼續(xù)往下執(zhí)行同步代碼塊；

5. 執(zhí)行同步代碼塊路幸。

釋放鎖偏向鎖的釋放采用了一種只有競(jìng)爭(zhēng)才會(huì)釋放鎖的機(jī)制，線程是不會(huì)主動(dòng)去釋放偏向鎖付翁，需要等待其他線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)简肴。偏向鎖的撤銷需要等待全局安全點(diǎn)（這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是上沒(méi)有正在執(zhí)行的代碼）。

其步驟如下：

1. 暫停擁有偏向鎖的線程百侧，判斷鎖對(duì)象石是否還處于被鎖定狀態(tài)砰识；

2. 撤銷偏向蘇，恢復(fù)到無(wú)鎖狀態(tài)（01）或者輕量級(jí)鎖的狀態(tài)佣渴。

下圖是偏向鎖的獲取和釋放流程：

11辫狼、重量級(jí)鎖

重量級(jí)鎖通過(guò)對(duì)象內(nèi)部的監(jiān)視器（monitor）實(shí)現(xiàn)，其中monitor的本質(zhì)是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock實(shí)現(xiàn)辛润，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換膨处，切換成本非常高。

參考資料

1. 周志明：《深入理解Java虛擬機(jī)》
2. 方騰飛：《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》
3. Java中synchronized的實(shí)現(xiàn)原理與應(yīng)用