标签：连续 and 操作系统 上下 inf 锁定 依赖 无锁 现在
前两篇文章已经介绍了多线程以及 JMM，我们说过多线程面对的安全问题体现在原子性 可见性 重排序三个问题上。Synchronized 就是 Java 为我们提供的解决线程安全问题的一把锁。
以前我们都叫它重量级锁，是因为以前它的性能相比与其他锁要差很多，而且非常笨重。但是随着 JDK 1.6 中对 Synchronized 做了优化，它现在的性能已经非常不错了。
Synchronized 是一把对象锁，对象锁的意思是 JVM 中的每一个对象都有这把锁，同一时刻只有一个线程能够拥有某个对象的对象锁。某个线程获取这个对象锁之后，会被标记在这个对象的对象头中。
虽然线程被标记在了对象头中，我们依然阻止不了多个线程对某段代码的访问啊？JVM 是怎么实现的那?
JVM 通过监视器(Monitors) 来保证线程安全，监视器的主要功能就是监视一段代码，确保在同一时刻只有一个线程能执行这段代码。每个监视器都和一个对象关联，通过获取对象的锁来决定是否能进入监视器监视的代码。
总结：Synchronzied 是一种对象锁，作用粒度是对象，可以用来实现对临界资源的互斥访问。是可重入的（避免死锁）。
Synchronized 可以用来修饰实例方法，静待方法，代码块，但是有一点需要记住，无论修饰什么，synchronized 锁住的永远是对象，只不过修饰实例方法，静态方法，代码块时锁住的对象不同罢了。
Synchronized 修饰实例方法，此时锁住的对象就是实例对象 this，也就是调用这个方法的实例对象。
public synchronized void method1(){
//需要同步的代码
System.out.println("method1");
}Synchronized 修饰代码块，此时锁住的对象就是括号括起来的对象实例。
// 锁住的对象是 this，也就是调用这个方法的实例对象。
public void method2(){
synchronized(this){
//需要同步的代码
System.out.println("method2");
}
}
// 锁住的对象就是 Object 类的实例 lock。
Object lock = new Object();
public void method4(){
synchronized(lock){
//需要同步的代码
System.out.println("method4");
}
}Synchronized 修饰静态方法，锁住的是 类名.class 这个实例对象（JVM 中的类加载器会为每一个类产生一个 Class 类的实例对象，用来表示这个类，该类的所有实例都共同拥有着这个 class 的对象，而且是唯一的）。
public class Test1 {
public static void method3(){
//需要同步的代码
System.out.println("method3");
}
}
//该类的所有实例都共同拥有着这个 class 的对象，所以所有实例都会去争抢 类名.class 这个实例对象的锁。我们知道了 Synchronized 锁到底是锁住了哪些对象，那么我们来看看到底 Synchronized 底层是怎么实现同步的。答案就是在硬件层面的特殊的 CPU 指令。
我们来看看下面这段代码反编译后的结果。
package com.paddx.test.concurrent;
public class SynchronizedDemo {
public void method() {
synchronized (this) {
System.out.println("Method 1 start");
}
}
}结果：
monitorenter：每个对象都是一个监视器锁（monitor）。当 monitor 被占用时就会处于锁定状态。线程执行 monitorenter 时尝试获得 monitor 的所有权。
monitorexist：执行 monitorexist 必须时锁住的对象的对象头里面记录的那个线程。指令执行时，monitor 的进入数减 1，如果减 1 后为 0，那么线程可以退出 monitor，不再是这个 monitor 的所有者。其他 monitor 阻塞的线程可以尝试去获得 monitor 的所有权。
其实 wait/notify 方法也依赖于 monitor 对象，这就是为什么 wait/notify 一定要在同步方法中调用的原因。
再来看一下同步方法
package com.paddx.test.concurrent;
public class SynchronizedMethod {
public synchronized void method() {
System.out.println("Hello World!");
}
}
反编译后的结果：
从编译后的结果来看，同步方法并没有通过指令 monitorenter 和 monitorexist 来完成。相比于普通方法，常量池中多了 ACC_SYNCHRONIZED标示符。同步方法就是根据该标示符来实现同步的。
当方法执行时，指令会先检查 ACC_SYNCHRONIZED标示符是否被设置了，如果设置了，执行线程将先获得 monitor，获取成功之后在执行方法体，方法执行完之后再释放 monitor。
上面我们说过，获取锁的线程的信息会被记录再对象头中。对象在内存中分为三块区域：对象头，实例数据和对齐数据。
Hotspot 虚拟机的对象头主要包括：Mark Word（用于存储对象自身的运行时数据），ClassPointer（类型指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例）。对象头的具体记录信息如下：
Mark Word 用于存储对象自身的运行时数据，如 ：哈希码，GC 分代年龄，所状态标志，线程持有的锁，偏向线程 ID，偏向时间戳等等。32 位虚拟机无锁状态下存储如下：
Mark Word 会随着程序的运行发生变化，可能变化为存储以下四种数据：
64 位虚拟机的存储结构如下：
对象头最后两位存储了锁的标志位，01 是初始状态，未加锁，其对象头里面存储的是对象本身的哈希码，随着锁级别的不同，会存储不同的内容。偏向锁存储的是当前占用此对象的线程的 ID，轻量级锁则存储指向线程中锁记录的指针。所以锁这个东西，可能是栈中的锁记录，也可能是互斥量的指针，也可能是对象头里面的线程 ID。
当线程进入同步代码块的时候，如果此时同步对象没有被锁定。那么虚拟机首先在当前线程的栈中创建我们称之为 锁记录（Lock Record） 的空间，用于存储锁对象的 Mark Word 的拷贝，官方称之为 Displaced Mark Word
。整个 Mark Word 及其拷贝至关重要。
Lock Record 是线程私有的数据结构。每一个被锁住的对象的 Mark Word 都会和一个 Lock Record 关联，同时 Lock Record 中有一个 Owner 字段存放拥有该锁的线程的唯一标识，表示该锁被这个线程占用。
| Lock Record | 描述 |
|---|---|
| Owner | 初始时为NULL表示当前没有任何线程拥有该monitor record，当线程成功拥有该锁后保存线程唯一标识，当锁被释放时又设置为NULL； |
| EntryQ | 关联一个系统互斥锁（semaphore），阻塞所有试图锁住monitor record失败的线程； |
| RcThis | ** 表示blocked或waiting在该monitor record上的所有线程的个数**； |
| Nest | 用来实现 重入锁的计数； |
| HashCode | 保存从对象头拷贝过来的HashCode值（可能还包含GC age）。 |
| Candidate | 用来避免不必要的阻塞或等待线程唤醒，因为每一次只有一个线程能够成功拥有锁，如果每次前一个释放锁的线程唤醒所有正在阻塞或等待的线程，会引起不必要的上下文切换（从阻塞到就绪然后因为竞争锁失败又被阻塞）从而导致性能严重下降。Candidate只有两种可能的值0表示没有需要唤醒的线程1表示要唤醒一个继任线程来竞争锁。 |
任何一个对象都有一个 Monitor 监视器与之关联，当一个 Monitor 被持有后，它将处于锁定状态。Syncronized 在 JVM 里的实现都是基于进入和退出 Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步。
Monitor 可以理解为一种同步工具，也可以描述为一种同步机制，它通常被描述为一个对象。通常说 Synchronized 的对象锁，MarkWord 锁标识位为 10，其中指针指向的是 Monitor 对象的起始位置。
从 JDK 1.6 开始，对 Synchronized 的实现机制进行了较大调整，包括使用了 JDK5 引进的 CAS 自旋还增加了自适应自旋，锁消除，锁粗化，偏向锁，轻量级锁这些优化策略。使得性能得到了极大的提升。
锁主要存在四种状态，无锁，偏向锁，轻量级锁，重量级锁。锁可以低向高升级，但是不能降级。
线程的阻塞和唤醒需要 CPU 从用户态转为内核态，频繁的阻塞和唤醒对 CPU 来说是一件负担很重的工作。所以引入了自旋锁。
自旋锁，就是当一个线程尝试获取某个锁时，如果该锁已经被其他线程占用，就一直循环检测锁是否被释放，而不是进入阻塞状态。
自旋锁适用于锁保护的临界区很小的情况，临界区很小的话，锁占用的时间就很短。自旋等待不能替代阻塞，虽然它可以避免线程切换带来的开销，但是它占用了CPU处理器的时间。如果持有锁的线程很快就释放了锁，那么自旋的效率就非常好，反之，自旋的线程就会白白消耗掉处理的资源。
JDK 1.6 引入了更聪明的自旋锁，即自适应自旋锁。自适应的意思时自旋的次数不再是固定的，它是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及拥有者的状态来决定的。
有些情况下，JVM 检测到不可能存在共享数据竞争，这时候 JVM 会对这些同步锁进行清楚。
锁清除的依据是逃逸分析的数据支持。
public void vectorTest(){
Vector<String> vector = new Vector<String>();
for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
vector.add(i + "");
}
System.out.println(vector);
}JVM 可以明显检测到变量 vector 没有逃逸出方法 vectorTest 之外，所以 JVM 可以大胆地将 vector 内部的锁消除。
在使用同步锁的时候，需要让代码块的范围尽可能小，这样能够减少竞争。但是如果一系列的连续加锁和解锁操作，可能会导致不必要的性能损耗，所以引入锁粗化的概念。
锁粗化就是将多个连续的加锁，解锁操作连接在一起，扩展成一个范围更大的锁。
在大多数情况下，锁不仅不存在所线程金正，而且总是由同一个线程多次获得。为了让同一个线程多次获得锁的代价降低，引入了偏向锁。
偏向锁的释放采用了只有竞争才会释放锁的机制，线程是不会主动释放偏向锁的，需要等待其他线程来竞争。
引入轻量级锁的主要目的是在没有很多线程竞争的前提下，减少传统重量级锁使用系统互斥量产生的性能消耗。
偏向锁升级为轻量级锁的过程：
虚拟机首先在线程的栈中建立 Lock Record。
将对象头中的 Mark Word 复制过去。
虚拟机使用 CAS 操作尝试将 Mark Word 中的 Lock Word 更新为指向当前线程 Lock Record， 将 Lock Record 里面的 Owner 指向 object mark word。
如果这个更新动作成功了，那么当前线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，即表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象Mark Word中的Lock Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，进入自旋执行（3），若自旋结束时仍未获得锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，当前线程以及后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
总结：
通过CAS操作尝试把线程中复制的Displaced Mark Word对象替换当前的Mark Word；
如果替换成功，整个同步过程就完成了，恢复到无锁状态（01）；
如果替换失败，说明有其他线程尝试过获取该锁（此时锁已膨胀），那就要在释放锁的同时，唤醒被挂起的线程；
Synchronized是通过对象内部的一个叫做 监视器锁（Monitor）来实现的。但是监视器锁本质又是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的。而操作系统实现线程之间的切换这就需要从用户态转换到核心态，这个成本非常高，状态之间的转换需要相对比较长的时间，这就是为什么Synchronized效率低的原因。因此，这种依赖于操作系统Mutex Lock所实现的锁我们称之为 “重量级锁”。
当线程1访问代码块并获取锁对象时，会在 Java 对象头和栈帧中记录偏向的锁的 threadID。因为偏向锁不会主动释放，所以当线程1在此想获取锁的时候，返现 threadID 一致，则无需使用 CAS 来加锁，解锁。如果不一致，线程2需要竞争锁，偏向锁不会主动释放里面还是存储线程1的 threadID。如果线程1没有存活，那么锁对象被重置为无锁状态，其他线程竞争并将其设置为偏向锁。如果线程1 还存活，那么查看线程1是否需要持有锁，如果需要，升级为轻量级锁。如果不需要设置为无锁状态，重新偏向。
轻量级锁考虑的是竞争锁对象的线程不多，而且线程持有锁的时间也不长的情景，为了避免阻塞线程让 CPU 从用户态转到内核态和代价，干脆不阻塞线程，直接让它自旋等待锁释放。线程1获取轻量级锁时会先把锁对象的对象头复制到自己的锁记录空间，然后使用 CAS 替换对象头的内容。如果线程1复制对象头的同时，线程2也准备获取锁，但是线程2在 CAS 的时候失败，自旋，等待线程1释放锁。如果自旋到了次数线程1还没有释放锁，或者线程1在执行，线程2在自旋等待，这时3有来竞争，这个轻量级锁会膨胀为重量级锁，重量级锁把所有拥有锁的线程都阻塞，防止 CPU 空转。
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